Translated by: Isabel Zetina 

África está dotada de abundantes recursos de agua dulce. Tiene precipitaciones suficientes y niveles relativamente bajos de extracción de agua para tres usos principales: doméstico, agrícola e industrial. Se han observado cambios en los recursos hídricos de África que se traducen en cambios en el caudal y la variabilidad del agua, descenso de los niveles de las aguas subterráneas, cambios en los niveles y el ritmo de las precipitaciones, fuertemente influenciados por el cambio climático. El continente tiene un enorme potencial para la producción de energía hidroeléctrica. Además, se reconoce ampliamente que los recursos hídricos desempeñan un papel crucial en el logro de los objetivos de desarrollo socioeconómico necesarios (UN water/Africa, 2000, Diop et al. 2021).

Estos recursos de agua dulce se almacenan en forma de depósitos en la superficie constituidos por ríos, lagos, embalses artificiales, humedales, zonas inundadas y depósitos subterráneos que incluyen zonas radiculares y acuíferos. Al formar parte del sistema climático, las aguas terrestres (recursos de agua dulce) se intercambian continuamente con la atmósfera y los océanos a través de flujos de masa verticales y horizontales (es decir, precipitación, evaporación, transpiración de la vegetación y flujo superficial y subterráneo) que definen el ciclo hidrológico global del agua (Cazenave et al. 2016). El conocimiento del ciclo hidrológico global, en particular de su componente terrestre, es de gran importancia para crear un inventario de los recursos hídricos y su gestión para los países africanos.

Una mejor comprensión del ciclo hidrológico terrestre depende de una enorme cantidad de mediciones espaciales y temporales de seguimiento del agua. Sin embargo, la escasez de información sobre el agua en los países africanos es uno de los principales obstáculos. El escaso mantenimiento de la red de información sobre el agua existente ha provocado una disminución de los sistemas de seguimiento del agua disponibles. Las pérdidas sustanciales de esta capacidad han dado lugar a una comprensión limitada de las características hidroclimáticas y de su variabilidad en muchos lugares.

El declive gradual de los sistemas de vigilancia del agua debido al mayor costo de mantenimiento en la mayoría de los países en desarrollo, especialmente en África, hace necesaria la introducción de nuevas soluciones para mejorar la evaluación, protección, desarrollo, gestión y gobernanza de los recursos hídricos sobre la base de información fiable y oportuna sobre el agua (Koetz et al. 2016). Las tecnologías de observación de la Tierra pueden ayudar a colmar estas lagunas de muchas maneras. La teledetección por satélite proporciona una valiosa visión global que puede supervisar los cambios en las precipitaciones, la extensión de las masas de agua, la vegetación y, a un nivel más local, ayudar a identificar zonas con potencial de aguas subterráneas (Meijerink, 2007). Además, los procesos de la rama terrestre del ciclo hidrológico se ven muy afectados por la dinámica tierra-atmósfera y la heterogeneidad de la superficie en cuanto a tipo de suelo, topografía y vegetación. Los sistemas locales no pueden captar por completo la variabilidad en la superficie, ya que a menudo se trata de mediciones puntuales. Por lo tanto, la observación de la Tierra ofrece una oportunidad única para caracterizar mejor la variabilidad de los componentes hidrológicos en cuencas no medidas o escasamente medidas debido a su amplia cobertura (Becker et al. 2018).

1. Teledetección de los componentes hidrológicos

La década de 1990 se considera como la era del sistema de observación de la Tierra, cuando muchas agencias espaciales como la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA), la Agencia Espacial Europea (ESA) y la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA) lanzaron numerosos sensores espaciales para estudiar los diversos componentes del ciclo del agua terrestre (Fig. 1). Entre ellos se incluyen sensores para estimar la humedad del suelo mediante el Radiómetro Avanzado de Barrido por Microondas (siglas AMSR en inglés), la Humedad del Suelo y Salinidad Oceánica (siglas SMOS en inglés); las precipitaciones mediante la Misión de Medición de Lluvias Tropicales (siglas TRMM en inglés); la vegetación mediante el Espectrorradiómetro de Imágenes de Resolución Moderada (siglas MODIS en inglés); el nivel de agua superficial mediante JASON-1 y JASON-2 y TOPEX-POSEIDON; y las aguas subterráneas mediante la media del Experimento de Recuperación de Gravedad y Clima (siglas GRACE en inglés) (Lakshmi et al. 2015).

2. Precipitación

La precipitación es un elemento fundamental del ciclo hidrológico. La cuantificación precisa de su variabilidad espacio-temporal es esencial para aplicaciones en los campos del medio ambiente, la atmósfera, los recursos hídricos y otras ciencias e ingenierías relacionadas (Karamouz et al., 2013; Lakshmi et al., 2015).

Los dos métodos principales de medición de las precipitaciones son los aforos estándar y los satélites. Cada vez se dispone de más datos y productos de teledetección, cuya información contribuye a comprender mejor la distribución espacial y temporal de las precipitaciones, ya que proporcionan estimaciones de precipitaciones casi en tiempo real y espacialmente continuas a intervalos de muestras temporales más pequeñas. Estos productos satelitales (Fig. 2) incluyen el Sensor Especial de Imágenes de Microondas (SSM/I), la Unidad Avanzada de Sondeo por Microondas (AMSU), el generador de imágenes de microondas (TMI) y el radar de precipitación (PR) de la Misión de Medición de Lluvias Tropicales (TRMM), el Radiómetro Avanzado de Barrido por Microondas-Sistema de Observación de la Tierra (AMSR-E), etc. (Karamouz et al. 2013). Es importante señalar que estos productos derivados de satélites contienen incertidumbres que deben evaluarse antes de su utilización. Estas incertidumbres están relacionadas con los métodos de recuperación para detectar a distancia las nubes y la precipitación desde el espacio. Las técnicas infrarrojas y visibles sólo proporcionan información sobre la parte superior de la nube que genera la precipitación. Las técnicas de microondas son directamente sensibles a la precipitación. Por lo tanto, ninguna técnica existente es adecuada para satisfacer todos los requisitos espaciales y temporales. Una de las soluciones consiste en combinar técnicas para compensar las ventajas y las limitaciones de cada una de ellas (Prigent, 2010).

2.2 Evapotranspiración

La evaporación y la evapotranspiración son eslabones importantes del ciclo hidrológico. En hidrología y riego, la evaporación y el transporte (Et) pueden considerarse conjuntamente como evapotranspiración (Karamouz et al. 2013). Tradicionalmente, la Et puede cuantificarse utilizando tanques y lisímetros, parcelas de campo y estudios de las fluctuaciones de las aguas subterráneas. La teledetección por satélite puede utilizarse para mapear la distribución espacial de la Et a escalas que varían de una región a otra (por ejemplo, debido a la huella del satélite o a la distancia entre vías en el ecuador). Su cuantificación exacta, sin embargo, sigue siendo difícil, debido a la heterogeneidad de la superficie terrestre y al gran número de factores que controlan la Et (Xiong et al., 2015).

Los sensores remotos por satélite proporcionan información muy relevante para alimentar los modelos de Et permitiendo el desarrollo del modelo de estimación basado en satélites de la Et terrestre global (Zhang et al., 2020). Los métodos basados en la teledetección se dividen en dos categorías establecidas:

• los métodos empíricos/estadísticos que estiman la Et utilizando una ecuación empírica deducida a partir de variables teledetectadas; y los métodos analíticos, que estiman la Et basándose en el enfoque Priestley-Taylor,
• la ecuación Penman-Monteith, o el método residual de la ecuación de balance energético (Xiong et al., 2015).

Con la investigación en curso, los productos Et a escala global como el modelo inverso de intercambio Atmósfera-Tierra (ALEXI), el Modelo Global de Evaporación Terrestre de Amsterdam (GLEAM V3.3b) y el Sistema de Balance de Energía en Superficie (SEBS V3) están cada vez más disponibles (Fig. 3).

2.3 Humedad del suelo

La distribución espaciotemporal de la humedad superficial del suelo es una de las variables cruciales en las aplicaciones hidrológicas y meteorológicas que influye en el intercambio de flujos de agua y energía en la interfaz superficie terrestre/atmósfera (Kousik y Prabir, 2015). Una estimación precisa de las variaciones espaciales y temporales de la humedad del suelo es fundamental para numerosos estudios medioambientales.

El método termogravimétrico está reconocido como el método estándar para medir el contenido de humedad del suelo. Además, existen otras mediciones puntuales automatizadas como la dispersión de neutrones, la atenuación de rayos gamma, la conductividad eléctrica del suelo, la tensiometría y la constante dieléctrica del suelo (Walker et al., 2004). Los recientes avances tecnológicos en teledetección por satélite han demostrado que la humedad del suelo puede medirse (Fig. 4) mediante diversas técnicas de teledetección, como la teledetección óptica y por infrarrojos térmicos, así como las técnicas de teledetección por microondas pasivas y activas (Wang y Qu, 2009). Es importante señalar que cada uno de estos enfoques tiene sus ventajas y limitaciones.

2.4 Las aguas subterráneas

Las aguas subterráneas son la fuente más común de agua dulce en los continentes fuera de las regiones polares, seguida de los casquetes polares, los lagos, los humedales, los embalses y los ríos. Esta posición muestra la importancia de su gestión óptima como recursos hídricos garantizados (Karamouz et al., 2013). Lamentablemente, la evaluación, modelización y gestión de los recursos hídricos subterráneos se han visto considerablemente obstaculizadas por la falta de datos. Los modelos de aguas subterráneas necesitan distribuciones espaciales y temporales de datos para su entrada y calibración, pero las mediciones hidrológicas clásicas solo pueden proporcionar datos puntuales. Afortunadamente, la teledetección ha abierto nuevas fuentes de datos espaciales distribuidos que permiten analizar la dinámica y los cambios en el almacenamiento de las aguas subterráneas (Brunner, 2006; Lee, 2017).

El estado del almacenamiento cualitativo de las aguas subterráneas puede recuperarse a partir de las características geológicas, la altimetría y la topografía de las aguas de la superficie, la distribución de la vegetación y la diferencia entre precipitación y evapotranspiración. Por otro lado, un estado de cuantificación (cambios en la masa, por lo tanto, la variación en la cantidad de agua) se puede inferir a partir de GRACE y GRACE FOLLOW UP (Fig. 5) y sensores InSAR (Lee, 2017).

3. Altimetría espacial

El valor potencial de la altimetría de radar por satélite ha sido identificado y se le ha dado una alta prioridad desde 1969 y fue diseñado por primera vez para estudiar la variabilidad espacial y temporal de la altura del océano por debajo de la posición vertical del satélite (en el nadir). Además, las técnicas de altimetría espacial han demostrado ser eficientes para grandes masas de agua continentales en el seguimiento de características tales como ríos, lagos, etc. (Stammer y Cazenave, 2017).

Numerosos estudios realizados en diferentes cuencas fluviales mediante altimetría por satélite demuestran la utilidad de la altimetría por radar para monitorizar los niveles de agua con una precisión de unos pocos centímetros (Kitambo et al. 2021). Así pues, la altimetría por radar puede complementar las redes de medición hidrométrica existentes, o incluso sustituir a determinadas estaciones de medidas consideradas poco fiables o ineficaces.

Durante más de dos décadas, la observación de la Tierra a través de la altimetría radar por satélite ayudó a recuperar continuamente el nivel de agua superficial desde satélites multimisión (Fig. 6) como el European Remote Sensing 2 (ERS-2), el Satélite Medioambiental (Envisat), el Satélite con ARgos y ALtika (SRL) (con un ciclo de repetición de 35 días), Jason-2 y 3 (con un ciclo de repetición de 10 días) y Sentinel-3A y 3B (S3A/B) (con un ciclo de repetición de 27 días).

Los recientes avances y mejoras en las técnicas de teledetección han permitido la medición y seguimiento de otros parámetros hidrológicos como la velocidad de corrientes de la superficie, la descarga (en combinación con la odelización), la calidad del agua, la temperatura del agua superficial, la extensión del agua (Cnes/Aviso 2021).

4. El caso de la cuenca de los ríos Ogooué y Congo

El río Ogooué es conocido como el mayor río gabonés. La cuenca del Ogooué (ORB) (Fig. 7) se ha enfrentado a dificultades relacionadas con la disponibilidad de estaciones hidrológicas. La ORB fue una cuenca no medida entre los años 1980 y 2001, y posteriormente una cuenca escasamente medida con un medidor local. Por lo tanto, la gestión de los recursos hídricos de la cuenca se vio obstaculizada durante mucho tiempo por la falta de una red de control hidrológico. Recientemente, Bogning et al. (2018) llevaron a cabo un estudio basado en altimetría de observación de la Tierra específicamente radar para monitorear la etapa del agua y la descarga en el ORB casi no medido.

Se definió una red basada en altimetría de 34 estaciones virtuales (EV) a través del río Ogooué y sus principales afluentes. Sobre la base de la curva de clasificación que relaciona las etapas del agua y la descarga, establecida para el manómetro de Lambaréné utilizando mediciones locales de los niveles del agua y la descarga, se obtuvo una serie temporal de descarga basada en la altimetría (Fig. 8) (Bogning et al. 2018).

La cuenca del río Congo (CRB) es la segunda cuenca fluvial más grande del mundo, pero su variabilidad hidroclimática aún no se conoce bien (Laraque et al., 2020). El conocimiento limitado de la variabilidad espacial y temporal se debe principalmente a la falta de seguimiento local de las variables hidrológicas. Las redes de estaciones hidrológicas son escasas y están mal mantenidas (Becker, 2014). Se han hecho esfuerzos para realizar estudios utilizando la teledetección para superar el problema de la falta de mediciones locales. Esto permitiría caracterizar diversos componentes del ciclo hidrológico, como el almacenamiento de superficie, las aguas subterráneas, la humedad del suelo, la descarga fluvial y la evapotranspiración.

Recientemente, Kitambo et al. (2021) han llevado a cabo un estudio basado en observaciones obtenidas por satélite para caracterizar la variabilidad de la hidrología de superficie utilizando la altimetría de radar y el conjunto de datos Global Inundation Extent from Multi-satellite (GIEMS-2). Ambos conjuntos de datos han ayudado a comprender la variabilidad hidrológica espacio-temporal de la CRB en términos de Nivel de Agua Superficial (SWL) y Extensión de Agua Superficial (SWE) por primera vez a gran escala. En el estudio mencionado, se ha demostrado que las subcuencas septentrionales varían en gran proporción, mientras que las subcuencas medias y meridionales presentan pequeñas variaciones de amplitud del nivel del agua. El conjunto de datos GIEMS-2 ayudó a señalar que la cubeta central se inunda al máximo en octubre/noviembre.

Conclusión

Una mejor comprensión del ciclo hidrológico terrestre es pertinente para crear un inventario de los recursos hídricos y para gestionarlos. Sin embargo, los fenómenos hidrológicos son tan complejos que requieren una gran cantidad de observaciones espaciales y temporales. La red de observación local instalada desde hace varios años presenta una distribución desigual debido, en parte, al declive de varias estaciones existentes, por lo que es incapaz de proporcionar una buena cobertura espacial de los datos. Como resultado, existe un conocimiento insuficiente del ciclo hidrológico terrestre del agua, que es una cuestión clave en la investigación climática actual.

Afortunadamente, los recientes avances en teledetección han abierto nuevas fuentes de datos espaciales distribuidos y las técnicas de teledetección han demostrado su excelente capacidad para controlar varios componentes del balance hídrico, como la precipitación, la evapotranspiración, la humedad del suelo y las aguas subterráneas de grandes ríos, lagos y embalses, en escalas temporales que van de meses a décadas en determinadas cuencas africanas. Es importante señalar que, debido a sus técnicas de recuperación, los productos satelitales están afectados por incertidumbres. Las técnicas locales para el seguimiento de los componentes hidrológicos mencionados han demostrado ser inadecuadas en términos de cobertura espacial. Presentamos un caso de aplicación de las cuencas de los ríos Ogooué y Congo en el que se aplica la altimetría de radar para comprender la variabilidad en estas dos cuencas. Una importante limitación reconocida en África es la falta de especialistas calificados para explotar estas nuevas aplicaciones de teledetección. Por lo tanto, existe una necesidad importante de facilitar las transferencias de tecnología y/o aumentar el desarrollo de capacidades en África.