This consultancy project is framed by the AQUIFER project, “Innovative instruments for the integrated management of groundwater in a context of increasing scarcity of water resources” (Interreg-SUDOE V programme) which aims to capitalize, test, disseminate and transfer innovative practices for the preservation, monitoring and integrated management of aquifers.

FutureWater expertise was required for providing a novel and open-source hydrological modelling framework able to quantify spatial patterns of daily root percolation as a direct surrogate of groundwater recharge in the Campo de Cartagena Quaternary Aquifer (CC-QA). This aquifer is located at SE Spain and is one of the most important vectors of water drainage to the Mar Menor lagoon.

This task is addressed through the improvement and local calibration of the SPHY code for the Campo de Cartagena and the simulation of the water balance in the soil root zone from the 1950s until the end 2020. The SPHY-Campo de Cartagena includes a new routine able to compute irrigation inputs at the pixel level based on satellite data. Timeseries of monthly root percolation are taken as good surrogates of potential groundwater recharge and used as the main forcing input to an hydrogeological model of the Quaternary aquifer. The calibration process is performed through a sensititivity-intercomparison analysis in which model-derived outputs (irrigation and streamflow) during the calibration period are cross-checked against actual observations.

Spatial patterns of root percolation and the relative contribution of irrigation return flows to the total groundwater recharge were quantified (e.g. Figure 1) under historical and current conditions. Simulation results would show the lack of a significant temporal trend in the long-term recharge rates in the aquifer, most likely due to the the strong interannual variability observed in rainfall patterns, but also by the trade-offs resulting from the combination of climate, land use and irrigation-crop management drivers.

Figure 1. Mean Annual values of the main water balance components in Campo de Cartagena (2000-2020). RPer_ratio refers to the fraction between Root Percolation (MA.RPer) and Precipitation (MA.Pre)

FutureWater supports Fiera Comox in its due diligence process for the acquisition of a vertically integrated tree-fruit operation in North Spain. Particularly, FutureWater addresses an overall assessment of the most important water-related factors of risk that may control the current and medium-term feasibility of the fruit orchard farming system of interest. The application of FutureWater’s approach applies a multicriteria analysis and allows to qualify the levels of risk for each key factor analyzed.

FutureWater’s approach rests on: 1) the collection and analysis of data retrieved from documents, large datasets, and in-situ field inspections and stakeholder interviews, and 2) the scoring of the risks previously identified based on a final expert judgment.

Key sources of information for this risk screening included:

  • Existing documentation, reports, plans, and local legislation that may affect the access to water for irrigation
  • Existing and publicly accessible spatial and GIS data, including satellite imagery and thematic datasets available through national and regional agencies and platforms (Ebro River Basin Authority, National Infrastructure of Geospatial Data, Spanish Information System of Water)
  • Meteorological data (rainfall and temperature) from nearby weather stations
  • Groundwater level from the Spanish National Ministry of Environment.
  • Private data and documents generated by clients and stakeholders through personal and follow-up communications with farmer

Key variables analyzed and evaluated at the district and regional scales, to the extent relevant to the farm, included:

  • Water availability of surface and groundwater resources. For groundwater, a trend analysis of water levels, and first-order assessment of quality constraints and risks is included.
  • Impacts of climate change on water resources availability based on rainfall and temperature trends and projections for the region.
  • Water quality for irrigation purposes.
  • Potential conflicts due to competition for water in agriculture and other sectors of activity.

Legislative and policy-related factors that may affect the overall performance were also analyzed risk-by-risk.

Four factors of risk were analyzed: water availability, climate change, water quality, and water conflict. Each factor of risk was scored according to a risk matrix in which levels of probability of occurrence and impact severity were qualified based on data and expert judgement. For each factor, a risk matrix with three levels of overall risk were adopted: Low Risk (L), Moderate Risk (M), and High Risk (H)

Figure 1. Overall risk levels when probability of occurrence and impact severity are qualified.
Figure 2. Overview of risk assessment by factor.

In this particular project, the approach was implemented in four different settings located in the area.

The Mediterranean Region is facing growing challenges to ensure food and water supply as countries experience increasing demand and decreasing availability of natural resources. The nexus approach aims at managing and leveraging synergies across sectors with an efficient and integrated management of the Water, Energy, Food, and Ecosystems Nexus (WEFE).

BONEX objectives are to provide practical and adapted tools, examine concrete and context-adapted technological innovations, enhance policies and governance and facilitate WEFE Nexus practical implementation that balances the social, economic, and ecological trade-offs.

The project aims at producing a novel, transdisciplinary, diagnostic WEFE Bridging Framework, which combines methods in a context-specific manner and going beyond disciplinary silos. The diagnostic tools supporting the framework will be developed and tested in seven selected demonstration projects in the region which pilot innovative technologies (agrivoltaics, wastewater reuse systems, etc.).

As a result, BONEX will provide policymakers and practitioners with an interactive decision-making tool to evaluate trade-offs, synergies, and nexus solutions approaches in a transdisciplinary manner. Further, it will produce valuable experiences with tailoring innovative WEFE Nexus technologies that provides new business opportunities. The WEFE nexus approach is required to implement sustainable agri-food systems and preserve ecosystems.

Within BONEX FutureWater will actively contribute to the package of diagnostic tools. A simple water accounting tool (REWAS) will be used to evaluate if ‘Real Water Savings’ are achieved with innovative technologies. The water accounting tool evaluates water flows at field level and irrigation district scale and determines if any ‘real savings’ are achieved. The tool also incorporates the aspects of food production (crop yield) and will introduce components for evaluating energy and water quality aspects to complement the WEFE Nexus aspects. The seven demonstration projects will be used to demonstrate and iteratively develop this water accounting tool. A hydrological analysis is performed in selected locations to also evaluate the impact at basin (watershed) scale. Eventually the results from these analyses will be translated into policy implications and achievements of SDG’s (sustainable development goals).

This project is part of the PRIMA programme supported by the European Union.

Water and food security are at risk in many places in the world: now and most likely even more in the future, having large economic and humanitarian consequences. Risk managers and decision-makers, such as water management authorities and humanitarian-aid agencies/NGOs, can prevent harmful consequences more efficiently if information is available on-time on (1) the impact on the system, economy or society, and also (2) the probabilities for a failure in the system. EO information has proven to be extremely useful for (1). For looking into the future, considering the uncertainties, novel machine learning techniques are becoming available.

The proposed development is incorporated into an existing solution for providing Drought and Early Warning Systems (DEWS), called InfoSequia. InfoSequia is a modular and flexible toolbox for the operational assessment of drought patterns and drought severity. Currently, the InfoSequia toolbox provides a comprehensive picture of current drought status, based mainly on EO data, through its InfoSequia-MONITOR module. The proposed additional module, called InfoSequia-4CAST, is a major extension of current InfoSequia capabilities, responding to needs that have been assessed in several previous experiences.

InfoSequia-4CAST provides the user with timely, future outlooks of drought impacts on crop yield and water supply. These forecasts are provided on the seasonal scale, i.e. 3-6 months ahead. Seasonal outlooks are computed by a novel state-of-the-art Machine Learning technique. This technique has already been tested for applications related to crop production forecasting and agricultural drought risk financing. The FFTrees algorithm uses predictor datasets (in this case, a range of climate variability indices alongside other climatic and vegetative indices) to generate FFTs predicting a binary outcome – crop yields or water supply-demand balance above or below a given threshold (failure: yes/no).

The activity includes intensive collaboration with stakeholders in Spain, Colombia and Mozambique, in order to establish user requirements, inform system design, and achieve pilot implementation of the system in the second project year. Generic machine learning procedures for training the required FFTs will be developed, and configured for these pilot areas. An intuitive user interface is developed for disseminating the output information to the end users. In addition to development of the forecasting functionality, InfoSequia-MONITOR will be upgraded by integrating state-of-the art ESA satellite data and creating multi-sensor blended drought indices.

El proyecto Grupo Operativo ECOPRADERAS financiado por EIP-AGRI , tiene como objetivo general mejorar el manejo y la gestión de las praderas mediante: (1) la transferencia e implementación de tecnologías innovadoras, (2) la identificación y fortalecimiento de buenas prácticas culturales, y (3) la difusión de la información y los resultados más relevantes entre los usuarios finales. FutureWater asiste a ECOPRADERAS en lo referido al primer apartado, mediante el encargo específico de desarrollar una herramienta para el seguimiento operacional del estado de las praderas del Valle del Alagón mediante el uso combinado de índices espacio-temporales de satélite.

La metodología empleada por FutureWater utiliza tecnologías de procesamiento masivo de datos en la nube (Google Earth Engine) para calcular un índice cualitativo de estado de la superficie que combina valores de anomalía espacial y temporal del indice de verdor (NDVI). Este indice cualitativo de estado permite categorizar el territorio en diferentes clases y detectar trayectorias o prácticas de manejo pascícola que suponen un riesgo para la sostenibilidad ambiental del sistema productivo y que necesitarían de especial atención.

Las tareas del proyecto incluyen la definición del esquema metodológico, el diseño e implementación de una plataforma web-mapping, y la calibración-validación de los resultados mediante comparación con datos de campo obtenidos en fincas piloto y proporcionados por los socios del proyecto.

Monitor Ecopraderas implementado en el Valle del Alagón (España)

Groundwater is one of the most important freshwater resources for mankind and for ecosystems. Assessing groundwater resources and developing sustainable water management plans based on this resource is a major field of activity for science, water authorities and consultancies worldwide. Due to its fundamental role in the Earth’s water and energy cycles, groundwater has been declared as an Essential Climate Variable (ECV) by GCOS, the Global Climate Observing System. The Copernicus Services, however, do not yet deliver data on this fundamental resource, nor is there any other data source worldwide that operationally provides information on changing groundwater resources in a consistent way, observation-based, and with global coverage. This gap will be closed by G3P, the Global Gravity-based Groundwater Product.

The G3P consortium combines key expertise from science and industry across Europe that optimally allows to (1) capitalize from the unique capability of GRACE and GRACE-FO satellite gravimetry as the only remote sensing technology to monitor subsurface mass variations and thus groundwater storage change for large areas, (2) incorporate and advance a wealth of products on storage compartments of the water cycle that are part of the Copernicus portfolio, and (3) disseminate unprecedented information on changing groundwater storage to the global and European user community, including European-scale use cases of political relevance as a demonstrator for industry potential in the water sector. In combination, the G3P development is a novel and cross-cutting extension of the Copernicus portfolio towards essential information on the changing state of water resources at the European and global scale. G3P is timely given the recent launch of GRACE-FO that opens up the chance for gravity-based time series with sufficient length to monitor climate-induced and human-induced processes over more than 20 years, and to boost European space technology on board these satellites.

In this project, FutureWater is in charge of a case which aims to prototype and calibrate a Groundwater Drought Index based on the G3P product, and to integrate it into InfoSequia, the FutureWater’s in-house Drought Early Warning System. The new InfoSequia component will be tested for inherent reliability and flexibility at the basin level in a total area of about 145 000 km2 in Southern Spain which largely relies on groundwater resources. This pilot region comprises three large basins (Segura, Guadalquivir and Guadiana) with many aquifers and groundwater bodies where very severe dynamics of overexploitation and mining have been identified and declared. Unsustainable groundwater development threats the water security in the region, but also the ecological status and preservation of unique and highly protected ecosystems in Europe (e.g., Doñana National Park, Daimiel National Park, Mar Menor coastal lagoon).

To visit the official G3P website, please click on this link:

Descripción del Proyecto

La descarga subterránea procedente de los retornos de riego de origen agrícola hacia el Mar Menor se encuentra entre una de las posibles causas que explicarían los altos niveles de eutrofización (hipereutrofización) y elevada proliferación de algas alcanzados en este ecosistema lagunar. Estudios previos, liderados y/o participados por FutureWater (Contreras et al., 2014; Jiménez-Martínez et al., 2017), apuntan a que las aportaciones subterráneas al Mar Menor alcanzarían valores muy superiores a las cifras oficialmente reconocidas.

Una de las alternativas planteadas para reducir las aportaciones subterráneas y de nutrientes al Mar Menor consiste en la creación de una red de drenajes superficiales y subsuperficiales que permita la captación de la descarga subterránea en las proximidades de la laguna (Figura 1), y que tras un adecuado tratamiento de desalinización y desnitrificación, podría reutilizarse para riego agrícola. Este tipo de infraestructuras de captación están actualmente operativas en el ámbito de la CCRR Arco Sur – Mar Menor.


Figura: Flujos y relación entre el acuifero cuaternario del Campo de Cartagena y el Mar Menor sin (izquierda) y con (derecha) un sistema de drenaje superficial.

La CCRR Arco-Sur ha encargado a FutureWater, en colaboración con Hydrogeomodels, el este proyecto con el objeto de evaluar la utilidad de estas infraestructuras y explorar las posibilidades de extenderlas hacia el resto del Campo de Cartagena. El uso de modelos matemáticos para simular la dinámica del flujo subterráneo en el acuífero y el patrón espacial de descarga permitirían demostrar la eficacia de estas infraestructuras, y explorar cuáles son las mejores ubicaciones y regímenes de explotación para reducir las descargas al Mar Menor sin comprometer la sostenibilidad ambiental de los humedales costeros.

El desarrollo y calibración del modelo hidrogeológico del acuífero cuaternario del Campo de Cartagena se ha basado en la recopilación intensiva de los datos disponibles hasta la fecha, y la integración de las técnicas de simulación hidrológica e hidrogeológica más avanzadas. El modelo hidrogeológico del Campo de Cartagena es una herramienta clave para apoyar la toma de decisiones y evaluar la efectividad de diferentes estrategias de explotación (batería de bombeos, redes de drenaje), o los impactos asociados a cambios de uso del suelo o del clima.

Objetivo y Metodología

El objetivo de este estudio es cuantificar el patrón espacial del balance de agua en el Campo de Cartagena, la dinámica del flujo de agua subterránea en el acuífero cuaternario superficial, y el patrón espacial de descarga subterránea al Mar Menor para condiciones hidrológicas promedio y extremas, mediante la calibración e implementación de un modelo hidrogeológico.

El proyecto se ha ejecutado en cuatro fases (Figura 2): 1) recopilación y preparación de datos de entrada, 2) modelación hidrológica, 3) modelación hidrogeológica, y 4) documentación y actividades de divulgación.

Figura: Diagrama metodológico y fases de ejecución.

Principales resultados del estudio

  1. El volumen de recarga anual del acuífero superficial Cuaternario se estima entre 12 hm3/año en periodos muy secos, y 200 hm3/año en periodos muy húmedos. El valor promedio anual se estima en 74 hm3/año.
  2. El volumen de descarga potencial al Mar Menor, sin contar las extracciones por bombeo en pozos y drenes, ni tampoco las transferencias de agua hacia capas inferiores del acuífero, se ha estimado entre los 63 y 83 hm3/año, siendo el valor medio estimado de 71 hm3/año.
  3. La descarga real promedio al Mar Menor durante el periodo de simulación (2001-2016) se ha estimado entre 38 hm3/año y 46 hm3/año. Estos valores oscilan ±10 hm3/año, según se consideren años húmedos o secos.
  4. La mayor parte de la descarga al Mar Menor se concentra en los sectores próximos a la Rambla del Albujón y al norte del Campo de Cartagena. La descarga en el ámbito de actuación de la Comunidad de Regantes Arco Sur es muy reducida habiéndose estimado en no más del 5% del volumen total descargado.

Infografía y vídeo

Enlace a la presentación pública del estudio.

La noticia en los medios de comunicación:

IMPREX parte de la base de que mejorar la comprensión de los riesgos actuales es un punto de partida eficaz para adaptarse a los cambios futuros. Teniendo en consideración las posibles trayectorias climáticas y la experiencia obtenida a lo largo de un conjunto de sectores fuertemente dependientes del agua, IMPREX evaluará la efectividad de las actuales herramientas de gestión del agua en un escenario de cambio. En IMPREX, los sistemas operacionales existentes en la actualidad para la predicción del clima serán mejorados no solo para incrementar su capacidad predictiva sino también para dar mejor respuesta a las necesidades de los agentes interesados y usuarios finales dependiendo del contexto y la naturaleza de las decisiones.

IMPREX se articula sobre tres ejes de acción orientados a la ciencia-usario y que están estrechamente interconectados: (a) una mejora de las herramientas para la predicción y prospección del tiempo y clima, y los eventos hidrológicos extremos, (b) la adaptación y aplicación de estas mejoras en los procesos de gestión en diferentes sectores y regiones, y (c) la difusión de los resultados sectoriales a un público más amplio mediante el uso de resúmenes con evaluaciones de impacto, revisiones periódicas de riesgos, y boletines de comunicación.

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IMPREX mejorará la capacidad predictiva de las resoluciones de detalle y estacionales (las dos flechas superiores) e incorporará nuevos conceptos que pemitan adoptar la experiencia adquirida en los casos de estudio hacia el futuro (flecha inferior).

IMPREX proveerá diferentes elementos:

  • Mejoras cuantitativas en la capacidad para predecir la ocurrencia de eventos hidrometeorológicos extremos y sus imapactos.
  • Un conjunto de casos prácticos que demuestren la utilidad de las mejoras de predicción para la gestión eficiente de los eventos extremos.
  • Una aproximación de evaluación de riesgos novedosa que supere las limitaciones y falencias de los actuales métodos.
  • Una evaluación pan-europea de las actuales estrategias de gestión del riesgo y adaptación al cambio climático.
  • Una revisión periódica de los riesgos hidrológicos sobre los diferentes sectores de desarrollo europeo vinculando los resultados al Sistema Europeo de Alerta por Inundaciones (EFAS) y el Observatorio Europeo de la Sequía (EDO).

En el marco de IMPREX, FutureWater lidera la coordinación del grupo sectorial de trabajo especializado en “Sequías y Agricultura”. El objetivo de este paquete de trabajo es la puesta a punto de una metodología de vanguardia para la evaluación de riesgos en el sector agrícola mediante el uso combinado de pronósticos de tiempo y variabilidad climática, índices de sequía, y modelización agrohidrológica. La metodología se validará a nivel local en cuatro cuencas mediterráneas y a nivel paneuropeo. Este grupo de trabajo prestará un especial énfasis especial en:

  • Encontrar las relaciones entre la variabilidad del clima y los índices de sequía, y la producción y las pérdidas agrícolas en cuatro cuencas mediterráneas representativas.
  • Aplicar técnicas de escalado para proporcionar pronósticos de índices de sequía agronómicos útiles a nivel de cuenca y compatibles con las especificidades de los casos de estudio y sus sistemas de gestión de sequía.
  • Diseñar las herramientas, y los canales de comunicación y difusión apropiados para la generación de alertas tempranas y su provisión a a los gestores del agua y las partes interesadas del sector agropecuario.
  • Cuantificar analíticamente y de manera estandarizada el impacto del cambio de la precipitación, la evapotranspiración y la dinámica atmosférica en el balance y los flujos de agua, los patrones de consumo de agua y la prestación de servicios a la agricultura en las principales cuencas de Europa.



Los estudios publicados recientemente por el Panel Intergubernamental del Cambio Climático (IPCC) indican que Europa estará sometida a un mayor número de  eventos hidroclimáticos extremos (inundaciones, sequías, olas de calor e incendios forestales). Sin embargo, estos estudios también identifican un gran potencial para que la comunidad científica, inversores y las empresas innoven, impulsen e implementen estrategias y soluciones para la adaptación al cambio climático que minimicen los riesgos asociados a este tipo de eventos. A pesar de estas oportunidades, muchas de estas innovaciones corren el riesgo de no poder ser implementadas en el mercado de manera efectiva. BRIGAID tiene como misión servir de puente para la innovación y ayudar a que los prototipos puedan alcanzar el mercado con ciertas garantías de éxito.

BRIGAID se apoya en tres pilares fundamentales:

– El reconocimiento de la variabilidad geográfica de los riesgos relacionados con el clima y su interacción con los cambios socioeconómicos,

– El apoyo continuo a las innovaciones-prototipo (nivel de madurez de 3-4) que estén en disposición de ser validadas en un entorno experimental y operativo.

– El desarrollo de un marco estandarizado e independiente para el testeo y evaluación de la eficacia socio-tecnológica de una innovación.

Aproximación conceptual de BRIGAID. BRIGAID favorece la inserción exitosa de prototipos en el mercado mediante la adopción de herramientas estandarizadas de evaluación operacional, desarrollo de planes de negocio y la adopción de estrategias de comunicación y diseminación.

BRIGAID tiene como objetivos: (a) servir de nexo entre innovadores, inversores, y clientes y usuarios finales entorno a Comunidades de Innovación que incrementen las oportunidades de éxito de las innovaciones introducidas en el mercado; (b) contribuir al desarrollo de una metodología estándar que permita la valoración objetiva de las capacidades tecnológicas y la aceptabilidad social de una innovación mediante su testeo en ambientes de simulación propios; c) mejorar la capacidad de innovación y la integración de diferentes soluciones tecnológicas a través de redes de innovación; (d) reforzar la competitividad y el crecimiento de las empresas con el apoyo de un equipo de expertos en análisis de mercado, y planes de negocio y comunicación. Finalmente, BRIGAID tiene como ambición crear un marco de comunicación y financiación público-privado que facilite la conexión entre los innovadores e los inversores.


FutureWater contribuye en BRIGAID como: a) coordinador del paquete de trabajo de “Innovaciones para la adaptación a las Sequías” en el que se identificarán, describirán y evaluarán al menos 30 soluciones tecnológicas desarrolladas a nivel europeo; b) agente innovador mediante el desarrollo y testeo de Sistemas de Soporte a la Decisión para el seguimiento y gestión eficiente de las sequías (multiherramienta GEISEQ), y la detección temprana de anomalías de rendimiento de cultivos mediante la integración de información de alta precisión procedente de vehículos áereos no tripulados o UAVs y herramientas de modelización agrohidrológica (plataforma AGROFLY).

Presentación del proyecto

Aproximadamente 22 millones de toneladas de cítricos, un 20% de la producción total mundial, se producen en la región circun-mediterránea. Historicamente, los cultivos de cítricos se han concentrado a lo largo de valles fluviales y ramblas donde se localizan los suelos más fértiles y existe una mayor accesibilidad al agua superficial o del subálveo. La incorporación de nuevas tecnologías y estrategias de riego (riegos presurizados y riego deficitario) han favorecido la expansión de estos cultivos hacía lugares menos favorables. En la actualidad existen más de 300.000 has de cítricos en España.

Sistema de correlación de remolinos (Eddy-covariance system) el un campo de cítricos del Campo de Cartagena (Murcia, España). Fotografía por Bernardo Martín.

Para consolidar la supervivencia de este agrosistema en toda la región es necesario avanzar y mejorar nuestro conocimiento sobre las necesidades hídricas de estos cultivos y qué factores ambientales determinan su productividad. Durante el periodo comprendido entre julio de 2009 y agosto de 2014, el área de Ingeniería Agroforestal de la Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT) dispuso de dos sistemas de correlación de remolinos para de medición de los flujos de agua y carbono en tres fincas comerciales de cítricos ubicadas en el Campo de Cartagena.

El objetivo principal de este proyecto es cuantificar los balances de agua y carbono de este tipo de agrosistemas utilizando una combinación de medidas de campo, sistemas de correlación de remolinos (Eddy-covariance) y observaciones satelitales. En el marco del proyecto, FutureWater desempeñará las siguientes tareas:
1) analizar las dinámicas de agua, energía y carbono en los sitios experimentales seleccionados en el periodo comprendido entre el 1/julio/2009 y el 31/diciembre/2011,
2) identificar y cuantificar la influencia de los principales controles ambientales que determinan los balances,
3) parametrizar relaciones y modelos de producción para la estimación de la evapotranspiración real, y la productividad primaria bruta y neta, a partir de valores de radiación y variables satelitales (índices de verdor de la vegetación, albedo y temperatura superficial terrestre) obtenidos con el sensor MODIS instalado en los satélites Aqua y Terra.