Autor: Juan Carlos Fuentes
Instituto Nacional de Electrificación
1. Presentación
Derivado del comportamiento del escurrimiento superficial y el arrastre de sedimentos en la subcuenca del río Aguacapa, surge la idea de estimar el impacto de la variabilidad de la lluvia sobre estos componentes. Cabe mencionar la importancia a nivel nacional de los recursos hidráulicos en dicha subcuenca, dado el actual aprovechamiento en generación de energía eléctrica, en al menos 100 MW como potencia instalada, de los cuales 90 corresponden a la planta hidroeléctrica del mismo nombre, propiedad del Instituto Nacional de Electrificación, ente estatal interesado en este proyecto. La subcuenca del río Aguacapa posee un área de 608 km2, perteneciente a la cuenca del río Maria Linda, ubicada en la vertiente del océano Pacífico, patrón de drenaje predominante dentritico, suelos permeables a muy permeables dada las condiciones geológicas y uso agrícola, agroforestal y forestal principalmente. El régimen de lluvias se estima en 2,275 milímetros anuales, el cual se monitorea a través de una red compuesta por 5 estaciones meteorológicas convencionales, las que poseen longitudes de registros considerables de al menos 33 años, que comprende de 1983-2016, período que permite realizar análisis e interpretación del comportamiento y variabilidad de los elementos del clima, principalmente la lluvia. En cuanto a la red de estaciones hidrométricas, actualmente se dispone de 2 estaciones, de la cual la estación en estudio posee una longitud de registro considerable, dividida en dos períodos que comprenden de 1962-1982 y 2002-2016, con longitudes de 20 y 14 años respectivamente. La variabilidad de la lluvia se estimó mediante técnicas estadísticas avanzadas, partiendo del principio de que la lluvia media anual tiende a comportarse de acuerdo a una distribución teórica de frecuencia Normal o Gaussiana, aplicado tanto a lluvias medias como a caudales medios anuales. En tal sentido, se realizó el análisis de los hietogramas de lluvia diaria, mensual, anual y máxima, tanto en láminas con en días de lluvia, con su respectiva tendencia. El mismo análisis se realizó para las series de caudales anuales, en este caso se aplicó la distribución de Weibull para estimar el impacto sobre los caudales mínimos, adicionalmente, se aplicó la ecuación de Tucci (2002), para estimar el impacto de la variabilidad de la lluvia sobre el escurrimiento superficial y en este caso, también se aplicó a la serie de caudales sólidos (sedimentos en suspensión) que comprende los mismos períodos. Los resultados obtenidos para el caso del escurrimiento superficial, una tendencia positiva en caudales máximos y una tendencia negativa en caudales mínimos, ambas tendencias estadísticamente significativas, esto implica un aumento considerable en el coeficiente de abatimiento de humedad del suelo, principalmente en la época seca, donde los efectos serán más notorios, aunado aún más al fenómeno de persistencia. Caso similar se estimó para el caudal sólido, esto vinculado directamente al proceso de erosión en la cuenca, producto del cambio de uso de la tierra, la cual trae consigo efectos directos en el aumento del escurrimiento superficial directo (principalmente en eventos extremos) y disminución del flujo base (reflejado en un aumento del coeficiente de abatimiento de humedad del suelo). El estudio va orientado al fortalecimiento de la red de monitoreo meteorológico e hidrométrico, así como a la identificación de áreas prioritarias para la implementación de prácticas destinadas al control de la erosión a mediano plazo, y de esta manera garantizar la sostenibilidad de los recursos hidráulicos y disminuir las tasas de erosión en la subcuenca.
2. Objetivos del Trabajo
ü Evaluar la densidad de la red de estaciones meteorológicas y las características de las series pluviométricas.
ü Asociar la variabilidad hidrometeorológica al abatimiento de caudales.
ü Estimar la evolución en el cambio de uso de la tierra y el impacto en el régimen hidrológico.
ü
3. Marco Teórico
3.1 El ciclo hidrológico
El ciclo hidrológico y la cuenca hidrográfica constituyen respectivamente el concepto y unidad fundamental de estudio de la hidrología. El ciclo hidrológico comprende las fases y procesos del agua en la superficie terrestre, comprender tanto sus cambios de estado como las interacciones que existen en la atmósfera, litósfera y la biósfera.
El ciclo hidrológico se define como “aquel que describe la circulación del agua en la atmósfera, suelo y subsuelo en sus distintas fases, como todo ciclo cerrado no tiene principio ni fin y su descripción puede comenzar en cualquiera de sus elementos, por ejemplo en la precipitación”, (NANIA, Leonardo & GÓMEZ, Manuel. 2006: 13)
En el caso de las cuencas, pueden clasificarse en cuanto a la ocurrencia del agua, como hidrográficas e hidrogeológicas, además, con base al sistema de drenaje superficial, como endorreicas y exorreicas. Cabe mencionar, que actualmente las cuencas pueden clasificarse también como urbanas y no urbanas.
La variabilidad del clima, se refiere a las variaciones en el estado medio y otras estadísticas del clima, en todas las escalas espaciales y temporales más allá de fenómenos meteorológicos individuales. La variabilidad puede ser debido a procesos internos naturales dentro del sistema climático (interna) o a las variaciones naturales o antropogénicas (externa). La variabilidad climática expone a menudo patrones espaciales conectados a las interacciones entre la circulación atmosférica y las superficies terrestres y oceánicas (KRASOVSKAIA, I. 2010).
3.2 Variabilidad
La variabilidad climática es entendida como las variaciones del clima en función de las condiciones naturales del globo terrestre y de sus interacciones, mientras que la variabilidad hidrológica se efectiviza cuando ocurren alteraciones sobre las principales entradas y/o salidas de un sistema hidrológico, es decir, sobre la precipitación, la evapotranspiración y/o los caudales (BERTONI, J. 2010: 7).
3.3 Series de tiempo
Constituyen conjuntos de variables, en este caso, hidrológicas o meteorológicas, medidas de forma continua en unidades definidas de tiempo. Algunas propiedades de las series de tiempo, son la longitud, completación, independencia, homogeneidad y tendencia.
Resalta la importancia de las redes de monitoreo hidrológico y meteorológico, en la generación de series de tiempo, tanto en su longitud como en su calidad. Las redes de monitoreo se pueden evaluar con base a la densidad (estaciones/km2) y a la variabilidad. Además, las series pueden ser normales o extremas, en el caso de series normales se hace referencia a lluvias anuales, temperaturas anuales, mientras que para el caso de series extremas, se hace referencia a eventos máximos y mínimos. Para el caso de hidrología, los eventos máximos más usuales son lluvias intensas y crecidas, mientras que para eventos mínimos, caudales mínimos.
3.4 Abatimiento
El abatimiento consiste en el descenso de la humedad del suelo, como flujo subsuperficial o como flujo base. Puede expresarse como Q = Qoe-k(t-to), siguiendo un comportamiento exponencial (MONSALVE, Saézn. 1999:325)
4. Antecedentes o Estado de la Investigación
La presente investigación se encuentra en una fase inicial, de caracterización biofísica de la cuenca, evaluación de la red de monitoreo meteorológico y de las series de tiempo generadas, y del régimen hidrológico. Resaltan, algunos estudios relacionados a hidrología aplicada, en la subcuenca del río Aguacapa, los cuales en su orden cronológico, son los siguientes:
ü Comisión Nacional de Energía Eléctrica (2015). Impactos de usos de suelos y oportunidades de restauración en cuencas hidroeléctricas.
ü Viana, J. (2008). Evaluación y propuesta de un sistema de alerta temprana en la parte baja de la cuenca del río María Linda.
ü Santos, G. (2002). Utilización de modelos para evaluar la tendencia de la escorrentía superficial en la cuenca del río Aguacapa, tomando como variables el suelo y uso de la tierra.
5. Aspectos Metodológicos
El estudio comprendió el desarrollo de dos fases, preliminar y análisis, el detalle de cada fase es el siguiente:
5.1 Fase preliminar
5.5.1 Descripción biofísica de la cuenca: Mapa hidrográfico, red de estaciones meteorológicas, polígonos de Thiessen, permeabilidad del suelo y uso de la tierra (en dos escenarios).
5.5.2 Series de tiempo
Recopilación de series de tiempo de lluvia diaria de las estaciones meteorológicas siguientes:
Tabla 1. Estaciones meteorológicas ubicadas en la subcuenca del río Aguacapa.
|
Estación |
Tipo |
Año |
Longitud |
Altitud |
|
inicio |
registro (años) |
msnm |
||
|
La Pampa |
B |
1983 |
32 |
1300 |
|
La Pastoría |
B |
1980 |
35 |
1020 |
|
Aguacaliente |
C |
1982 |
33 |
720 |
|
El Mirador |
D |
1982 |
33 |
760 |
|
Casa Máquinas Aguacapa |
C |
1982 |
33 |
145 |
Fuente: Departamento de Hidrología (INDE, 2016)
Adicionalmente se obtuvo la serie de caudales medios diarios de la estación hidrométrica Aguacaliente, para los períodos 1962-1982 y 2002-2016, con longitudes de 20 y 14 años respectivamente
5.6 Fase de análisis
5.6.1 Propiedades de las series
a. Longitud: Expresada en años, para cada período analizado, oscilando entre 32 y 35 años.
b. Completación: Se estimó la cantidad de datos faltantes para cada serie (n), en relación a la longitud total (N, n/N). La relación n/N, oscila entre 0 y 7%, lo cual se considera dentro del rango aceptable, en tal sentido, los datos faltantes fueron estimados mediante el método de proporción normal, descrito por BREÑA, Puyol (2006, 76).
c. Independencia: Se trazó el correlograma conjuntamente con intervalos de confianza al 90 y 95%, conocido como la prueba de Anderson, citada por GANANCIAS, Facundo (2009, 6). Para que la serie se considera independiente, al menos el 90% de los puntos ploteados (r vrs k), deben estar comprendidos dentro del intervalo de confianza, de lo contrario, la serie se considera dependiente.
d. Homogeneidad: Se realizaron dos pruebas, siendo t Student y Cramer, de acuerdo a lo descrito por GANANCIAS, Facundo (2009, 6). Para que la serie se considere homogénea el valor t estimado debe ser menor al t teórico (o crítico).
e. Tendencia: La tendencia posee dos componentes principales, siendo el sentido y la significancia, la metodología empleada fue el Test de Spearman Rank Order Correlation, ampliamente recomendada por la Organización Meteorológica Mundial, descrita por KUNDZEWICZ & ROBSON (2000).
5.6.2 Hietogramas e hidrogramas
Con el objeto de estimar el régimen pluviométrico e hidrológico, se plotearon los respectivos hietogramas e hidrogramas, estimando, previamente para el caso de la lluvia, los valores medios.
5.6.3 Variabilidad
Con el objeto de estimar posibles cambios en el régimen pluviométrico e hidrológico, se realizó el análisis de variabilidad para las series de lluvias y caudales medios anuales. Para el efecto, se plotearon las series en papel probabilístico a escala normal con los respectivos intervalos de confianza al 90 y 95%, de acuerdo a la metodología descrita por HANN, Charles (1994).
5.6.4 Análisis de caudales mínimos
El análisis de caudales mínimos se realizó aplicando la distribución de frecuencias para eventos extremos tipo III, conocida como Weibull, tanto para la serie original (Y = X), como para la serie transformada logarítmicamente (Y = logX). Las series analizadas fueron caudales mínimos en 1 (Q1d), 2 (Q2d), 5 (Q5d), 7(Q7d), 10(Q10d), 15(Q15d), 30(Q30d) y 60(Q60d) días consecutivos anuales. Posteriormente se trazó las distribuciones en papel probabilístico a escala Gumbel, y se estimó el impacto en el abatimiento de los caudales, mediante la comparación de las series Q1D (Q1d) y Q60D (Q60d).
Caudales mínimos (modelo Weibull)
5.6.5 Caudal sólido
Con el objeto de estimar el impacto de la variabilidad de la lluvia y consecuentemente la evolución del uso de la tierra en la subcuenca del río Aguacapa, se estimó la relación entre caudal sólido y caudal líquido, de las series de tiempo correspondientes. Adicionalmente se aplicó la ecuación propuesta por Tucci (2002), para estimar el impacto del régimen de lluvia sobre el caudal sólido.
6. Bibliografía
BERTONI, J. Comportamiento hidrológico y criterios del diseño de obras hídricas en sistemas climáticos cambiantes: reflexiones y análisis de casos. Universidad Nacional del Litoral, Santa Fe, Argentina, 2010
BREÑA, Puyol; JACOBO, Marco. Principios y fundamentos de la hidrología superficial. Universidad Autónoma Metropolitana, México. 2006
COMISIÓN NACIONAL DE ENERGÍA ELÉCTRICA. Impactos de usos de suelos y oportunidades de restauración en cuencas hidroeléctricas. Recuperado: 25/08/2015 (www.cnee.gob.gt)
GANANCIAS, Facundo. Cátedra de hidrología y procesos hidráulicos. Universidad Nacional de Córdoba, Argentina, 2009
HANN, Charles. Statistical methods in hydrology. Iowa, 1994
KRASOVSKAIA, Irina. Notas del curso de hidroclimatología. Universidad de Costa Rica, Correspondencia personal, 2010
KUNDZEWICZ, Zbigniew; ROBSON, Alice. Detecting trend and other changes in hydrological data. Organización Meteorológica Mundial. Geneva, 2000
MONSALVE, Sáenz. Hidrología en la ingeniería. Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería, Bogota, 1999
NANÍA, Leonardo; GÓMEZ, Manuel. Ingeniería hidrológica. Grupo Editorial Universitario, Granada 2006
SANTOS, Guillermo. Utilización de modelos para evaluar la tendencia de la escorrentía superficial en la cuenca del río Aguacapa, tomando como variables el suelo y uso de la tierra. Escuela Regional de Ingeniería Sanitaria y Recursos Hidráulicos, Guatemala 2002
VIANA, Janania. Evaluación y propuesta de un sistema de alerta temprana en la parte baja de la cuenca del río María Linda. Escuela Regional de Ingeniería Sanitaria y Recursos Hidráulicos, Guatemala 2008
7. Aportes de la Investigación a la Toma de Decisiones
ü Implementación de un modelo distribuido para estimar la erosión a nivel de ladera y cauce.
ü Modelación hidrológica.
ü Evaluación de la red de monitoreo meteorológico e hidrométrico.
ü Implementación de medidas orientadas al manejo integral de cuencas.
8. Aportes de la Investigación a los Temas de la Región
ü Sistemas de alerta temprana, tanto para inundaciones como sequías.
ü Sostenibilidad de los recursos naturales.