Optimización de la red hidrológica básica bajo los

Ministerio de la Enseñanza de la Federación Rusa
Universidad Estatal Hidrometeorológica de Rusia
En calidad de manuscrito
УДК 556.048
Miguel Angel Ontiveros Mollinedo
OPTIMIZACION DE LA RED HIDROLOGICA BASICA
BAJO LOS ESCENARIOS DEL CAMBIO CLIMATICO EN
LA REPUBLICA DE BOLIVIA
Especialidad 11.00.07 – Hidrología Continental, Recursos Hídricos, Hidroquímica
RESUMEN
de la tesis de candidato a
Doctor en Ciencias Técnicas
San-Petersburgo
2000
Optimización de la Red Hidrológica Básica…
PREFACIO
En el último lustro del presente siglo, mediante el apoyo del Programa Hidrológico
Internacional UNESCO para América Latina y el Caribe, se ha logrado evolucionar
notablemente en la interpretación de los procesos naturales de nuestra región, hasta tal
nivel profesional, que a inicios del tercer milenio podemos afirmar: el enfoque ingenieril
para abordar la gestión pública del recurso hídrico es una herramienta real y eficiente.
Obviamente, ello no implica que sin aspectos relevantes, tales como la efectividad del
desempeño profesional, el cual esta influenciado fuertemente por las características de
la sociedad nuestra, la eficiencia en la gestión pública de los recursos naturales se
garantiza. Es decir, las interpretaciones (estáticas, dinámicas y estocásticas) de los
procesos naturales con enfoque matemático en manos de profesionales (ingenieros
hidrólogos, civiles, hidráulicos, geólogos, forestales, agrónomos, planeadores y
gestores, etc.) débilmente preparados se convierten en herramientas que antes de
conllevar a beneficios, generan malestar económico, ambiental y social. Un ejemplo
clásico de tal situación vienen a ser los balances hídricos nacionales en la región,
basados sólo en el enfoque estático, que de acuerdo al aparato matemático utilizado se
limita exclusivamente a operaciones de “sumas y restas”, que reflejan de manera muy
distorsionada el estado real del recurso hídrico en una nación y el método NAUGLS
(National Assessment Using Generalized Least Square) para optimizar una red
hidrométrica básica.
Dourojeanni, A. (1994) advierte, que para convertir las políticas ambientales en
acciones es preciso disponer de entidades adecuadas de gestión. En este estudio se
considera como factor relevante en una “entidad adecuada”, a la existencia de
herramientas ingenieriles válidas para administrar los recursos naturales de nuestro
medio latino americano, es decir, la aplicación de tecnologías ingenieriles que faciliten y
agilicen de manera efectiva la gestión. Esto último infiere el manejo de conocimientos
adecuados para interpretar un proceso natural tan complejo como lo es la dinámica del
recurso hídrico en determinada unidad de análisis. En ello, muy al lugar llega la
apreciación conocida como “la emotividad no sustituye una buena información
numérica” (CEPAL, 1994) y, es precisamente la efectividad ambiental, económica y
social del “paso” del conocimiento cualitativo al cuantitativo sobre la dinámica del
recurso hídrico lo que se pretende sustentar con la presente investigación.
Sin embargo, no sólo basta con “pasar” de una descripción cualitativa a una
cuantitativa, ya que la naturaleza del proceso hidrológico es dinámica e incierta y, por
ello, las interpretaciones estáticas no ofrecen mayores beneficios. Para llegar a tal
conclusión hemos realizado un breve análisis de la evolución de la interpretación
científica de los procesos desde el siglo XV hasta hoy día: la interpretación de los
procesos económicos, biológicos, termodinámicos, al igual que los hidrológicos,
durante los últimos 500 años se ha venido dando mediante el enfoque estático
(balances económicos, balances hídricos, etc.), dinámico (mediante la aplicación de
tecnología moderna como el modelo comercial europeo SHE o el modelo estatal IBP de
Rusia) y estocástico (“simulaciones FPK” u otras). De por sí, la interpretación estática
no reconoce que el agua varía en tiempo y espacio, lo cual es adverso a la realidad
circundante; los enfoques dinámicos agregan el parámetro espacio-temporal y la
certeza en las simulaciones del proceso económico, biológico, termodinámico ó
hidrológico; mientras que los probabilísticos nos permiten estimar el grado de
incertidumbre existente en el escenario generado, acercándose de mejor manera a la
realidad.
Las denominadas “Leyes del Agua”, los balances hídricos en diferentes naciones de la
región y la optimización de las redes han sido elaborados partiendo del enfoque
estático, el cual data desde el siglo XV, habiendo sido desplazado por Newton en 1686,
quien junto a Leibnizt sustentaron y generaron el enfoque dinámico (para ello crearon el
Optimización de la Red Hidrológica Básica…
aparato de ecuaciones diferenciales y las integrales, en los cuales aparece el “tiempo”
ó el “espacio”) para interpretar los procesos, obviamente que ellos no sin dificultades
lograron estremecer a la comunidad científica de ese entonces. Los débiles intentos de
interpretar desde el enfoque dinámico al proceso hidrológico en la región mediante la
aplicación del modelo SHE y otros, no han ofrecido beneficios mayores debido
principalmente a la falta de información hidrométrica y en casos especiales debido a los
altos grados de error de la misma.
Dado que actualmente a causa de la “Ley del Tiempo” se están difundiendo
aceleradamente los alcances de la ciencia moderna y clásica hasta los más
abandonados rincones del mundo, hoy día, son pocos los profesionales que dudan del
hecho “los recursos hídricos varían en espacio y tiempo y su naturaleza en sí es
incierta” y, además, cada día se siente en cada nación los efectos del denominado
“cambio climático” (ya sea enfriamiento ó calentamiento). En América del Sur y el
Caribe se desconoce por parte del autor cualquier intento de interpretar el balance
hídrico u optimizar una red hidrométrica bajo un escenario de cambio climático y con
enfoque estocástico.
El presente trabajo interpreta al proceso hidrológico bajo un escenario de cambio
climático de manera estocástica para abordar la fase inicial del módulo de monitoreo
del manejo integral del recurso hídrico, aplicando los alcances logrados en la
cibernética tanto en las geociencias como en la mecatrónica.
Optimización de la Red Hidrológica Básica…
CONTENIDO
INTRODUCCION
1.
2.
CARACTERISTICAS GENERALES DEL TRABAJO.
1.1
ACTUALIDAD DEL TEMA.
1.2
OBJETOS DE INVESTIGACION.
1.3
METODOLOGIA DE INVESTIGACIONES Y MATERIALES INICIALES.
1.4
CERTEZA CIENTIFICA.
1.5
NOVEDAD CIENTIFICA Y SIGNIFICACION PRACTICA.
1.6
APROBACION DEL TRABAJO.
1.7
ESTRUCTURA Y VOLUMEN DEL TRABAJO.
CONTENIDO PRINCIPAL DEL TRABAJO
CONCLUSIONES
Optimización de la Red Hidrológica Básica…
INTRODUCCION
Una de las funciones principales del Estado que en los últimos años ha venido tomando
relevancia viene a ser el manejo de los recursos naturales, en especial, el control del
aprovechamiento de los recursos renovables como el hídrico. Para ello, en las últimas décadas a
nivel suramericano se han venido generando diferentes estrategias a nivel constitucional en cada
país (por ejemplo, en Bolivia se está gestionando la Ley de Aguas y en Colombia la Estrategia
Nacional del Agua), tendientes a generar el aprovechamiento óptimo del agua, el cual garantice la
eficiencia de la gestión pública en términos económicos, ambientales y sociales (Rivera H., 2000).
El aprovechamiento óptimo del agua en términos ambientales exige de una disponibilidad
económica, respaldo político, aceptación social y aplicación de tecnologías adecuadas. El rol del
factor económico viene a ser uno de los principales, ya que el uso óptimo del recurso hídrico debe
adecuarse a nuestra capacidad económica, pues en las escuelas inglesa, francesa, china, rusa y
australiana existen excelentes herramientas científicas, con la inconveniencia de exigir inversiones
económicas muy superiores a la capacidad existente en nuestra nación; de allí, la importancia de
generar tecnología aplicable a la región suramericana que tenga en cuenta sus particularidades y,
en ello, el Programa Hidrológico de la UNESCO ha enfatizado su atención, ya que incluye el apoyo
a las investigaciones concernientes a comprender la naturaleza de los procesos naturales propios
del territorio suramericano.
En el transcurso de los últimos cinco años ha venido creciendo con una aceleración antes
no advertida, el interés sobre el tema denominado en diferentes instituciones de investigación a
nivel latinoamericano, “Manejo Integral de los Recursos Hídricos”, “La Gestión del Agua y las
Cuencas”, “Manejo de Cuencas Hidrográficas”, “Ordenamiento Territorial” y otras similares, cuyo
sentido principal es enfocar la atención del Estado en cada nación suramericana hacia la
Administración Eficiente de los Recursos Naturales Renovables (agua, vegetación, etc.) ubicados
en la unidad territorial denominada, en común acuerdo, Cuenca Hidrográfica.
En esta función del Estado se han advertido por parte de la comunidad científica las
siguientes dificultades: carencia de una metodología que permita abordar de manera integral el
manejo del agua; ausencia de aplicaciones ingenieriles que ofrezcan soluciones veraces a los
módulos de la administración del agua, tales como el monitoreo del recurso hídrico y el control de
su aprovechamiento por parte de los diversos usuarios reales y potenciales; ausencia de
herramientas científicas que permitan abordar las diferentes fases del ciclo hidrológico desde los
enfoques dinámicos y estocásticos.
El administrar un recurso natural como el hídrico, plantea la existencia de dos módulos
principales (Ver esquema siguiente): el monitoreo (el cual incluye la medición del proceso
hidrológico y la simulación de su dinámica) y el manejo del aprovechamiento (mediante la
simulación de la intervención antropogénica sobre el recurso hídrico).
Optimización de la Red Hidrológica Básica…
Manipulación
del proceso
hidrológico
(manejo integral
del recurso hídrico,
control del uso)
Cuenca hidrográfica
Segundo
módulo
Medición
del proceso
hidrológico
(red pluviométrica,
hidrométrica,
hidrogeométrica)
Primer
módulo
Simulación
del proceso
hidrológico
(flujo en canales,
escurrimiento
superficial, etc.)
Fuente: Kovalenko V.V. (1984)
El módulo de monitoreo (con sus fases de medición y predicción), entendido como
evaluación de recursos hídricos (definida por OMM / UNESCO como la determinación de las
fuentes, su extensión, confiabilidad y calidad de los recursos hídricos) sobre el cual se toman las
decisiones para el aprovechamiento de los recursos hídricos exige en primera instancia la
medición de éstos. Este esfuerzo supone el establecimiento de programas permanentes de
observación y medición, cuya responsabilidad en cada país suramericano es del Gobierno, siendo
un caso especial la situación en Chile en donde existe el denominado mercado de aguas. Por ello,
en la medida en que los países desarrollen esta primera fase de manera óptima y eficiente, los
SENAMHI podrán desarrollar la segunda fase (correspondiente a la predicción de la dinámica del
recurso hídrico), consecuentemente y abordar el segundo módulo, el cual tiende a facilitar y
agilizar la toma de decisiones bajo los programas de gobierno, que en cada país son de diferente
duración y naturaleza.
Pues bien, la realidad actual nos demuestra que en cada país sur americano
afortunadamente la primera fase del módulo de monitoreo se viene cumpliendo, aunque
desafortunadamente de manera ineficiente y sin reflejar los principios de optimización. Es
precisamente la eficiencia y la optimización en el funcionamiento de una red hidrométrica los
criterios que nos garantizan la efectividad de la inversión económica realizada, la efectividad de los
esfuerzos humanos implementados y, de esta manera, satisfacer las expectativas sociales,
políticas y ambientales que recaen sobre un SENAMHI.
El presente trabajo, ofrece como resultado la solución de la primera fase del primer
módulo de la Administración Pública del Agua, correspondiente a la optimización de la red
hidrológica básica en la República de Bolivia bajo los escenarios estacionario y no estacionario del
clima.
Optimización de la Red Hidrológica Básica…
Toma de decisiones
Desarrollo
(Ministros, Prefectos, Alcaldes, etc.)
[Segundo Módulo: Manejo del aprovechamiento
Actividad científica del Ministerio de
Sostenible y Medio Ambiente basada
en la optimización de la red hidrológica
y predicción de la dinámica del recurso
hídrico
[Primer Módulo: Monitoreo hidrológico
]
del agua ]
Esquema No. 1. Gestión pública del recurso hídrico
Fuente: Rivera H. (1999)
La Administración Pública del Agua se entiende como el manejo integral dado por el
Estado de una nación al recurso hídrico, cuyo objetivo primordial (de acuerdo a los tratados
internacionales suscritos y a la normativa nacional vigente) es garantizar el desarrollo económico,
el bienestar social y la sustentabilidad del recurso. En el siguiente esquema a grosso modo se
ilustra la gestión pública del agua, interpretada desde el enfoque de la Teoría de Manejo,
ampliamente aplicada en la cibernética y cuyos resultados en la geofísica son prometedores. En
el esquema No. 2. a grosso modo se ilustra la gestión pública del agua, interpretada desde el
enfoque de la Teoría de Manejo, ampliamente aplicada en la cibernética y cuyos resultados en la
geofísica son prometedores.
El optimizar una red hidrométrica que refleje la eficiencia en su funcionamiento resulta ser
una tarea urgente en la actualidad (además de ser obligación legal de un Gobierno) debido
principalmente a las restricciones económicas de los presupuestos nacionales en la mayoría de
países, en otros por los principios de austeridad, en los terceros por las mismas condiciones
físicas y sociales que cada día exigen efectivas inversiones. En calidad de ejemplos se citan las
siguientes situaciones a nivel suramericano:
•
El territorio de la República de Bolivia ( 1000098 de Km ), en donde aún no se cuenta con una
red básica óptima que refleje las particularidades de la dinámica del recurso hídrico y, en
donde la cantidad de estaciones no supera un centenar (Ontiveros M., 2000)
•
El territorio de la República de Colombia (aprox. un millón de Km ), en donde a pesar de
contar con un millar de estaciones hidrométricas aún resulta imposible reflejar la dinámica del
2
2
Optimización de la Red Hidrológica Básica…
recurso hídrico ya que las estaciones se encuentran concentradas en territorios de menor
envergadura (Rivera H., 2000).
•
El territorio de la República de Venezuela, en donde a pesar de haber sido sometida
parcialmente la red a análisis específicos por parte de expertos internacionales tales como I.
Rodríguez-Iturbe, en la actualidad es obligada a su reducción debido principalmente a los
criterios económicos.
Además de ello, la futura planificación de la Administración Pública del Agua deberá tomar en
consideración los escenarios sobre posibles cambios climáticos a fecha de la segunda ó tercera
década del siglo XXI, que podrían originarse debido al denominado efecto invernadero. Al
respecto, Moss M. (1982) enfatiza la atención sobre la necesidad de hallar respuesta al
interrogante. ¿Qué hacer si la serie de datos resulta no estacionaria?
Las restricciones enunciadas sobre la aplicabilidad de los métodos son superadas mediante el
enfoque dado en la presente investigación patrocinada por el PHI de la UNESCO mediante un
estudio grant y, la ayuda logística del IRD (ex Orstom), siendo facilitador de la misma una beca
del VCP de la OMM a solicitud del Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología de Bolivia.
De igual manera, el proyecto HYNET apoyado por la OMM (Steward, B., 1998) y el análisis
realizado por Rivera H. (2000) dejó en claro que los métodos existentes de optimización (Ver
Tabla No. 1.), incluso los modernos como el NAUGLS sólo son aplicables bajo las siguientes
asunciones:
a) el proceso hidrológico (precipitación y escorrentía superficial) debe ser aleatorio, estacionario y
ergódico;
b) la región en la cual se aplica el método debe tener como propiedad la homogeneidad..
Sin embargo, previo análisis, se estableció que gran parte del territorio sur americano, en
particular, aproximadamente el 40% de Bolivia presenta condiciones naturales que no se
consideran homogéneas.
Optimización de la Red Hidrológica Básica…
Tabla No. 1. Algunos métodos de optimización de la red hidrométrica creados en el siglo XX (en
términos de cantidad del recurso hídrico para corrientes superficiales de agua).
No.
País
Autor
Año
1
URSS
Velikanov M. A., Ivanov P. V.
1940
2
USA
Eagleson P. S.
1965
3
URSS
Karaciev I. F.
1968
4
Canadá
Solomon S. I.
1968
5
USA
Moss M. E.
1970
6
URSS
Alekciev G. A.
1971
7
USA
Moss M.E., Karlinger M. R.
1974
8
USA
I. Rodríguez-Iturbe, J. Mejía
1974
9
Canadá
Villeneuve J. P., Morin G., Bobee B., Leblanc D.
1979
10
USA
Tasker G. D., Moss M. E.
1979
11
USA
Stedinger J. R., Tasker G. D.
1985
Fuente: Rivera H. (1999, 2000)
Los métodos enunciados en la anterior tabla pueden ser clasificados dependiendo del tipo de
redes que facilitan optimizar; por ejemplo, la red básica en determinado territorio puede ser
optimizada aplicando los métodos KRIGIN (desarrollado por Villeneuve et al.), NAUGLS
(desarrollado por Stedinger et al.) o mediante los criterios de Karasiev I. F.
Para efectos del presente estudio, basados en un exhaustivo análisis de los límites para la
aplicación de cada método enunciado, se llegó a la conclusión que los criterios de Karasiev
ofrecen una descripción física mas cercana a la realidad del proceso hidrológico, aunque ello no
signifique que carezca de debilidades.
Optimización de la Red Hidrológica Básica…
1.
CARACTERISTICAS GENERALES DEL TRABAJO
1.1
ACTUALIDAD DEL TEMA
La red hidrológica básica de la República de Bolivia contiene aproximadamente 60 estaciones y
empezó a crecer principalmente después de la reestructuración jurídica de 1952 y numerosos
intentos de superar el atraso económico del país. Sin embargo, tomando en cuenta que la
2
superficie de Bolivia es igual a 1,098 millón de km , cada uno de las estaciones abarca el territorio
2
de 18,3 mil km , que resulta ser mucho mayor del territorio recomendado por la Organización
Meteorológica Mundial (OMM, 1994). Las recomendaciones de dicha organización en cuanto a la
2
superficie del territorio abarcado por una estación (un mil de km ) no resisten ninguna crítica desde
el punto de vista económico (en tal caso es necesario extender la red de puestos en 15 ! veces) ni
se pone en concordancia con los criterios de la red básica óptima científicamente argumentados y
elaborados en la ex-URSS. Dichos criterios toman en consideración no sólo condiciones físicogeográficas de la formación de la escorrentía, sino también la exactitud de su colección; el último
momento esta relacionado con el nivel del desarrollo económico del país. He aquí el por qué para
el Gobierno de Bolivia son muy importantes las evaluaciones numéricas concretas de la red
óptima.
1.2
OBJETOS DE INVESTIGACION
El objeto de la presente investigación es la evaluación de las características numéricas óptimas
de la red básica hidrológica de Bolivia, tomando en consideración tanto el régimen actual de la
escorrentía anual, como sus cambios perspectivos (alteración climática).
Con este fin fueron resueltos los problemas siguientes:
-
Colección y elaboración estadística de los datos sobre las precipitaciones y escorrentía en 104
estaciones hidrometeorológicas de Bolivia desde 1943 hasta 1998;
-
Restauración de las series perdidas de observaciones hidrológicas con consecuente
determinación de la relación entre el coeficiente de variación y el valor normal de módulo
utilizada para la formación del mapa de isolíneas del coeficiente de variación de la escorrentía
anual de Bolivia;
-
Levantamiento de mapas de los momentos iniciales de la distribución de la densidad de
probabilidad de las series de precipitaciones totales anuales con base en los resultados de su
elaboración estadística;
-
Evaluación de la intensidad del ruido climático y levantamiento de su mapa para Bolivia
utilizando la metodología elaborada en la Universidad Estatal Hidrometeorológica de Rusia por
I. I. Pivovarova;
-
Realización de la evaluación estadística de seguridad de aplicación del modelo estocástico de
la formación de la escorrentía anual en una aproximación normal según el criterio de
concordancia de Kholmogorov;
-
Evaluación del nivel de argumentación del sistema actual boliviano de división del territorio del
país en zonas naturales (también hidrológicas); formación de la curva de reducción y
determinación de la representatividad para las zonas marcadas;
-
Evaluación del valor del criterio de gradiente para cinco regiones diferentes en condiciones del
régimen hidrológico contemporáneo y sus cambios perspectivos;
-
Formación de funciones espaciales correlativas de la escorrentía anual y las precipitaciones
totales anuales en Bolivia con el fin de evaluar sus radios de correlación y determinación del
valor numérico del criterio de correlación de la red hidrológica óptima;
Optimización de la Red Hidrológica Básica…
-
Cálculo de la cantidad óptima de estaciones para la red básica en cinco regiones que ocupan
todo el territorio del país, en condiciones del régimen existente de escorrentía anual;
-
Cálculos de valoración y levantamiento de mapas predictivos de las características
estadísticas de la escorrentía anual en Bolivia para diferentes variantes de cambios climáticos
y antropogénicos;
-
Evaluación de la sensibilidad de criterios de gradiente y correlación a los cambios probables
de nivel de la escorrentía y realización del análisis comparativo de las variantes actual y
óptima de la red para las condiciones de la escorrentía anual actual y esperada.
1.3
METODOLOGIA DE INVESTIGACIONES Y MATERIALES INICIALES
El método principal de solución de los problemas planteados consiste en la utilización de la teoría
de optimización de Drozdov-Shepelevski-Karasiev bien conocida en hidrometeorología (Drozodv,
1936; Shepelievskii, 1946; Karasiev, 1968). Además, fueron utilizados tales métodos como
computación matemática y elaboración estadística de los resultados de observaciones de
precipitaciones totales anuales y escorrentía durante muchos años. La realización numérica y los
cálculos estadísticos se realizaron utilizando la maquina computadora personal IBM-Pentium II.
1.4
CERTEZA CIENTIFICA
Los resultados se argumentan por las circunstancias siguientes:
1. Utilización de evaluaciones estadísticas de los resultados intermedios.
2. Comparación de las curvas calculadas y efectivas de abastecimiento según el criterio de
concordancia de Kholmogorov en diferentes niveles de significancia estadística.
3. Utilización de la ecuación de Fokker-Planck-Kholmogorov (FPK) ampliamente aprobada en los
últimos 15 años, que en caso estable lleva al grupo de curvas de distribución de Pirson, en
calidad del modelo de formación de la escorrentía anual.
4. Utilización de criterios contenidos en Manuales internacionales de planificación y
estandarización de la red hidrológica básica para su optimización.
1.5
NOVEDAD CIENTIFICA Y SIGNIFICACION PRACTICA
1. Realización de argumentación hidrológica de la división del territorio del país en zonas
naturales, para la cual fue realizada la evaluación estadística de los momentos iniciales de
distribución de la escorrentía anual y levantamiento de los mapas de isolíneas del valor
normal de módulo y coeficiente de variación.
2. Realización de evaluación de intensidad del ruido climático y levantamiento de los mapas de
isolíneas de su valor, que permitió la argumentación estadística de la seguridad de aplicación
práctica del modelo FPK para el territorio de Bolivia por comparar las curvas calculadas y
efectivas de abastecimiento según el criterio de concordancia de Kholmogorov en niveles de
significancia estadística corrientemente utilizados en hidrología.
3. Formación de evaluaciones numéricas de criterios de gradiente y correlación para cinco
regiones de Bolivia, que permitió determinar la estructura óptima de la red.
4. Determinación de limites probables de cambios antropogénicos de las características
hidrológicas calculadas, a base de los cuales se determina la sensibilidad de la red básica de
Bolivia a los cambios perspectivos de escorrentía anual.
Optimización de la Red Hidrológica Básica…
El presente trabajo fue realizado en límites de los planes perspectivos del Servicio Nacional de
Meteorología e Hidrología de Bolivia y fue parcialmente financiado por la Organización
Meteorológica Mundial y el Programa Hidrológico Internacional de la UNESCO mediante el Study
Grant; algunos resultados fueron recibidos durante la realización del grant intrainstitucional de la
Universidad Estatal Hidrometeorológica de Rusia.
1.6
APROBACION DEL TRABAJO
Los momentos principales de la presente investigación fueron referidos en el seminario científico
conjunto de las cátedras de hidrología de tierra , hidrofísica e hidropronósticos de la Universidad
Estatal Hidrometeorológica de Rusia en el año 2000.
1.7
ESTRUCTURA Y VOLUMEN DEL TRABAJO
La tesis consiste de la introducción, cuatro capítulos, conclusión, lista de literatura (68 fuentes) y
nueve apéndices. El trabajo contiene 184 paginas de texto e incluye 22 dibujos y 24 tablas.
Optimización de la Red Hidrológica Básica…
2.
CONTENIDO PRINCIPAL DEL TRABAJO
La introducción contiene los argumentos de actualidad del tema y formulación de los objetivos del
trabajo.
El primer capítulo contiene la descripción físico-geográfica breve de las regiones naturales
principales de Bolivia (Puna y Cordilleras Occidentales, las Laderas Orientales de los Andes, las
Llanuras Orientales). Además, se da la característica de las observaciones hidrometeorológicas en
Bolivia y se formulan los objetivos de la investigación presente. Desde el punto de vista del
objetivo de la tesis presente, el rasgo más importante del relieve es la diferencia significante entre
las regiones naturales: el altiplano o Puna (4000 m sobre el nivel del mar) casi no tiene
escorrentía externa, mientras que la escorrentía interna se realiza por las áreas de los lagos
Poopo y Titicaca, además, por las salares Coipasa, etc. Las laderas orientales de los Andes
poseen la zonificación bien expresada del clima, así como de los terrenos y las plantas. Las
llanuras orientales se irrigan por medio de la red amplia de los ríos del sistema Beni-Mamore y
gradualmente se bajan a la depresión de Amazonas. Las precipitaciones totales anuales varían
de 150 mm en el oeste semidesierto hasta 2000 mm en las laderas orientales de los Andes
(SENAMHI, 1999).
La red hidrológica es desuniforme; se trata especialmente de los puestos hidrológicos de la
escorrentía, la cantidad total de los cuales es igual a 60 (la mitad de estos puestos actualmente no
funcionan); es decir, la superficie del territorio cubierto por cada puesto es casi la misma como en
las deshabitadas de Yakutia (Rusia). La duración de las series de observaciones no supera 30
años; las series tienen numerosos vacíos. En cuanto a las observaciones meteorológicas, la
situación es mas favorable; existen 76 puestos con duración de observaciones de unos decenios
de años.
El análisis de hidrología sintética realizado a la información disponible nos permitió generar
caudales en los casos necesarios; para ello se tienen en cuenta dos circunstancias principales:
•
Cuando las series de caudales no contienen mas de seis años de información
( n < 6 );
•
Cuando las series de caudales contienen mas de seis años de información
( n ≥ 6 ).
En la actualidad el primer caso es frecuente y generalmente esta información no se utiliza en las
estimaciones hidrológicas tendientes a establecer el manejo del recurso hídrico debido a la
carencia de herramientas ingenieriles que permitan aprovecharla. Por ejemplo, en nuestro medio
regional ante tal situación, solemos ser testigos de las expresiones “es imposible extender estas
series” y nuestros colegas agregan justificaciones que en la actualidad no tienen sustento
científico alguno. El segundo caso, es fortuna en algunos países, en donde desde la década de
los años 60, bajo el apoyo de la Década Hidrológica Internacional se montaron por primera vez
gran cantidad de estaciones hidrométricas en Sur América. Por ejemplo, a nivel internacional en
el Global Runnof Data Center (Koblenz, Alemania) oficialmente sólo se labora con series de
caudales que superan los ocho-diez años de información; en Rusia existen las Normas de
Construcción, las cuales incluso establecen qué expresiones matemáticas utilizar para prolongar
las series, etc. Este último caso es el conocido por la mayoría de nuestros colegas.
De igual manera, en hidrología sintética se consideran tres situaciones de incertidumbre clásicas:
•
Cuando las estimaciones estadísticas se realizan bajo un grado mínimo de incertidumbre,
es decir, cuando la información hidrométrica se considera “suficiente”;
•
cuando las estimaciones estadísticas se realizan bajo un grado medio de incertidumbre,
es decir, cuando la información hidrométrica se considera “insuficiente”;
•
cuando las estimaciones estadísticas se realizan bajo un grado máximo de incertidumbre,
es decir, cuando la información hidrométrica se considera “nula”;
Optimización de la Red Hidrológica Básica…
En cada escuela científica hidrológica los términos “suficiente”, “insuficiente” y “nula” se interpretan
de diferente manera. Por ejemplo, en algunos centros de investigación una serie con diez años de
información se considera “suficiente”, mientras que en otros se considera “insuficiente”, los
terceros mediante enfoques de la Teoría de la Información, aplicando análisis de entropía y bajo
conceptos probabilísticos clásicos pueden considerarla “nula”.
Para efectos de generar caudales sintéticos en esta investigación, previo análisis de calidad de la
información hidrométrica (metodología de recolección, frecuencia, instrumentos, etc.), se
considera que el SENAMHI no está en la capacidad (económica y científica) de entregar la misma
con un grado de error menor al 20%, y en sí, el nivel de desarrollo de la nación no exige mejor
calidad. Ello significa, que el proceso de medición y observación debe ser reevaluado y mejorado
con el fin de obtener datos que por lo menos ofrezcan un grado de error no superior al 20%.
En el caso de la situación bajo la cual la información disponible se considera “suficiente” o
representativa, la práctica internacional recomienda aplicar los procesamientos estadísticos para
estimar las características relevantes (tres primeros momentos) del recurso hídrico en determinada
unidad de análisis.
Cuando la información se considera insuficiente se obliga a realizar un análisis de analogías entre
cuencas hidrográficas que conduzca a la generación de la serie representativa bajo criterios
correlativos, antropogénicos, fisiogeográficos y climáticos.
Contando con información “nula” o “casi nula” nuestro profesional se convierte en un infante con
conocimientos matemáticos básicos que trata de resolver problemas complejos del nivel de
pregrado, y de allí, su conclusión “esta información es inútil”. Sin embargo, en este trabajo se
presenta una metodología innovadora, la cual desvanece tal paradigma permitiendo extender
series de caudales con menos de seis años de información con criterios físicos, obviamente que
excluimos el uso de métodos como el Monte Carlo y otros que los generan de manera aleatoria
bajo ciertos criterios matemáticos. Este enfoque fue originado por Rozdientvenskii, A. V. (1990.) y,
se basa, principalmente en los análisis espacio-temporales de la dinámica del proceso hidrológico
y ha sido aplicado para diversos territorios a nivel mundial (para Colombia por Oumanets, I., 1999;
para Africa por Bonkang, C., 1998, etc.) en la década de los noventa.
El segundo capítulo describe los métodos de optimización de la red y la evaluación de las
características estadísticas de la escorrentía anual utilizadas en el proceso de realización del
presente trabajo.
En primera instancia se analizó el diseño de redes mediante el método general de los mínimos
cuadrados “NAUGLS”, en busca de su aplicación a la red básica de Bolivia. Antes de la aplicación
del método, la unidad de análisis se sometió a un estudio específico de hidrología regional, el cual
consiste en determinar los factores relevantes en el proceso hidrológico; por ejemplo, en regiones
de planicie se conoce el rol importante de factores fisiogeográficos tales como el área hasta el sitio
de interés, las lluvias y otros, mientras que en regiones de relieve muy variado tenemos a la altura
y la estructura de las montañas.
Generalmente, los estudios de hidrología regional se basan en análisis de correlogramas entre la
caudalidad y los factores climáticos y fisiogeográficos de una cuenca determinada. Algunos
resultados de este tipo de análisis a nivel internacional se aprecian en la siguiente tabla.
Optimización de la Red Hidrológica Básica…
Pais
Cuenca
Formula
New Zeland
Nelson
Australia
Coastal Queensland
Qmean=a+b(logA)+c(logP)+e
USA
Upper Central Portion USA
Qmean=a+b(logA)+c(logP)+e
Colombia
Magdalena River Basin
Bolivia
Altiplano
Qmean=[7.62*10
Qlow= 0.096* A
-6 1,04 1,56
]A
*P
0,84
1,35
Qlow=0.00032* A
En general la expresión matemática utilizada y recomendada por Moss M. (Steward, 1998) y otros,
es la siguiente:
Q = f ( A, P, n )
Esta función establece que la escorrentía Q (caudales mínimos, medios ó máximos a niveles
diario, mensual ó anual) es función del área (A) que ocupa la unidad de análisis, su precipitación
(P) y del grado de reducción de la escorrentía [ q = f (A) ], en donde “q“ nos representa al módulo
de la escorrentía.
Una vez hallada la expresión matemática concreta que permite describir la influencia de los
factores mencionados en la caudalidad se procede a establecer la variación del grado de error
ante diferentes escenarios de incertidumbre (éstos se generan bajo criterios variados dependiendo
de la experiencia del especialista), es decir, situaciones con diferentes niveles de información
(aumento o disminución de la entropía) hidrometeorológica: series cortas y prolongadas a nivel
temporal y cantidad de estaciones a nivel espacial. Posteriormente, se procede a la aplicación del
método NAUGLS, el cual cuenta con amplia experiencia a nivel internacional (Steward 1998); para
ello, se procede a estimar la sensibilidad de la fórmula hallada ante los escenarios generados a
priori, teniendo en cuenta los aspectos económicos que representa el contar con una información
regional disponible de determinada calidad.
El análisis realizado a su aplicación al territorio de Bolivia nos permite afirmar que resulta
inaplicable principalmente por dos causas:
•
En la zona Andina del territorio en Bolivia el proceso hidrológico está fuertemente
influenciado por la altura y por la estructura de las montañas (aspecto, pendiente,
orientación hacia los vientos, etc.) y de allí, que con la información disponible no se logra
apreciar dependencia significativa alguna en la relación Q = f (A);
•
La red hidrométrica del SENAMHI existente en Bolivia, a fecha del año 2000 no supera las
2
60 estaciones para un territorio que supera el millón de km , lo cual dificultó obtener
resultados satisfactorios mediante el análisis regional.
A pesar de ello, este método nos permite confirmar la necesidad urgente en generar una red
hidrométrica que refleje los principios de optimización del proceso de observación y medición.
Igualmente, demostró que a fecha de hoy día, es difícil realizar un análisis regional hidrológico
para el territorio de Bolivia con resultados satisfactorios en calidad.
En segunda instancia, para optimizar la red hidrológica básica fue utilizada la metodología del
profesor I. F. Karasiev, basada en los trabajos de O. A. Drozdov, A. A. Shepelevski, L. S. Gandin
y R. L. Kogan, dedicados al problema de optimización de las observaciones meteorológicas.
Karasev introdujo nuevas particularidades específicas relacionadas con esquemas hidrográficos
de las cuencas de los ríos. A pesar de la serie de opiniones críticas, principalmente en cuanto a la
Optimización de la Red Hidrológica Básica…
utilización del termino “campo de la escorrentía”, las escuelas hidrológicos de todo el mundo no
han propuesto algo mejor que refleje el sentido físico de una red.
Para determinar la superficie óptima (Fopt) para una estación se utiliza la desigualdad siguiente
(Karasiev, 1968, 1980, 1992):
Frepr < Fgrad ≤ Fopt ≤ Fcor,
(1)
donde Fgrad – el criterio de gradiente (los puestos deben ser alejados uno del otro de tal modo que
el error de determinación de la norma de la escorrentía no supere el volumen de su cambio
natural), Fcor – el criterio de correlación, que no permite a los puestos alejarse uno del otro de tal
manera que se pierda la relación estadística entre las escorrentías anuales, Frepr – el criterio de
representatividad, que abastece la distribución de los puestos en los territorios de colección del
agua, comparativamente grandes, que excluyen la influencia de los factores azonales.
La metodología de Karasiev propone fórmulas concretas para realizar el cálculo de Fgrad y
Fgrad ≥
8σ o 2Yo 2
( gradY )
(2)
2
σ4
Fcoorrelativa ≤ 0
a 2C 4
v
(3)
Donde:
Yo - Norma de Escorrentía ; Fgrad - Area aferente necesaria para que el incremento de "Y"
garantice que el gradiente esta fuera del margen de error de la medición; gradY - gradiente de Y;
F correlativa - Area correlativa después de la cual se pierde la conexión estadística entre
estaciones; Cv - Coeficiente de Variación de "Y"; a=1/Lo; Lo- Radio Correlativo (distancia a la cual
la correlación entre estaciones tiende a "0"); σO -Desviación estándar de "Y".
Como se observa en las fórmulas (2) y (3), para aplicar dichos criterios, se necesitan los mapas de
isolíneas de la norma de la escorrentía y coeficiente de variación. Para levantar tales mapas fue
emprendido el intento de evaluar la escorrentía anual con base en los resultados de
observaciones. Sin embargo, la desigualdad de la red actual de observaciones de la escorrentía
permitió la realización parcial de tal trabajo para Bolivia. Además, la presente metodología nos
permite levantar los mapas predictivos de la escorrentía que toman en consideración los cambios
climáticos probables, de los factores de formación de la escorrentía. Porque para realizar la
evaluación tanto del régimen existente como del régimen esperado de la escorrentía anual, fue
necesario utilizar los modelos estocásticos de su formación.
Kovalenko V. (1984) propuso utilizar diferentes variantes de las ecuaciones diferenciales
estocásticas para la descripción probabilística de los procesos hidráulicos e hidrológicos. Uno de
tales modelos más simples, es el modelo matemático (la ecuación FPK), que permite evaluar los
cambios de características estocásticas de la escorrentía anual que tienen lugar durante muchos
años bajo la influencia de factores climáticos y la actividad económica:
∂p (Q, t )
∂
∂2
=−
[ A(Q, t ) p (Q, t )] + 0,5
[ B (Q, t ) p (Q, t )],
∂t
∂Q
∂Q 2
(4)
Optimización de la Red Hidrológica Básica…
p(Q,t) – densidad de probabilidad, y los coeficientes de desplazamiento (А (Q,t)) y difusión (B
(Q,t)) se definen mediante las expresiones:
A = −(c + 0,5G ~c )Q − 0,5G ~c N~ + N ,
B = G ~c Q 2 − 2G ~c N~ Q + G N~ .
Teniendo en cuenta que el proceso en este caso es estacionario, es decir, nuestra ecuación (4)
∂p (Q, t ) ∂t = 0 , y el hecho de que en hidrología las series de datos son de tal longitud que los
momentos de distribución máxima llegan a tres (αn, n = 0, 1, 2, 3), se puede transformar la
ecuación (4) a un sistema de ecuaciones para los momentos
nb 0 α n −1 + [( n + 1)b1 − à ]α n + [( n + 2)b 2 + 1]α n +1 = 0,
(5)
donde
a=
b1 =
G ~c N~ + 2 N
;
2c + G c~
b0 =
− G N~
;
2c + G c~
G c~N~
;
2c + G c~
b2 =
− G c~
.
2c + G c~
Por lo común se estudia las reacciones estables de las aguas superficiales ante las influencias de
carácter climático y antropogénico. Por ello la ecuación (4) se aproxima mediante un sistema de
ecuaciones algebraicas para los momentos iniciales αn (n = 0, 1, 2, 3): formula (5)
Al principio se realiza la parametrización del sistema según las series de observaciones; es decir,
a base de las magnitudes conocidas de αn se determinan los valores numéricos de los parámetros
a, b0, b1, b2. Luego los parámetros recibidos se cambian debido a los factores de la superficie ( c )
o por medio del clima ( N ), o bajo la influencia de ambos factores (en cuanto a la intensidad de
ruidos
G ~c , G N~ , G c~N~
hasta el momento se asumía su invariancia bajo condiciones nuevas).
Después se realiza el cálculo de los momentos nuevos de αn (“predictivos”), en base a los cuales
se determinan y se reflejan en el mapa las características hidrológicas (norma, coeficientes de
variación y asimetría).
En el presente estudio dicha metodología fue aplicada en aproximación normal, es decir, se
supuso que
G ~c = G c~N~ = 0. He aquí dos circunstancias importantes:
1. La duración de las series permite calcular aun los segundos momentos con grandes errores.
Las generalizaciones territoriales, por lo menos para la evaluación aproximada del tercer
momento, como se hace en Rusia, es imposible debido a la desigualdad de la red existente de
observaciones.
2. El estudio en su generalidad está dedicado a los problemas de optimización de la cantidad de
las estaciones hidrométricas. El criterio de optimización contiene sólo la norma de escorrentía
y el coeficiente de variación, es decir, el tercer momento (coeficiente de asimetría) como tal no
se necesita.
También fue eliminada la suposición sobre la constancia de intensidad del ruido climático ( G N~ ).
Optimización de la Red Hidrológica Básica…
En el tercer capítulo se describe la optimización de la red a las condiciones contemporáneas de la
formación de la escorrentía.
En la primera etapa se forma la base cartográfica para la aplicación de los criterios de
optimización. Al principio se utiliza la metodología normal de prolongación de las series de
observación existentes, con el consiguiente cálculo de la norma de la escorrentía y el coeficiente
de variación. Los errores de determinación de la norma son iguales a 15 %, que se considera
aceptable para las condiciones de Bolivia. Sin embargo, a base de estos resultados es posible
formar isolíneas sólo para las laderas orientales de los Andes, por eso en este caso se utilizaba el
método siguiente de evaluación de la norma (Y) y coeficiente de variación (Cν). En base a las
series prolongadas de observaciones se calcularon los valores de Y y Cν además se definió la
dependencia Cν = f(Y), que de cierto modo repite en forma general la dependencia analógica para
el territorio de la URSS (al crecer el valor de la norma disminuye el coeficiente de variación).
Utilizando el mapa de isolíneas de la escorrentía anual, presentada en el Atlas del Balance Hídrico
Mundial (UNESCO, 1974), y la dependencia obtenida Cν = f(Y) , se calcularon los valores de
coeficientes de variación, que luego se reflejaron en el mapa obtenido.
Además, se aplicó otro método de evaluación de la norma y el coeficiente de variación por medio
del modelo estocástico de formación de la escorrentía (5). Para su aplicación fue realizada la
evaluación estadística del campo de las sumas anuales de precipitaciones (norma N y dispersión
D) en base a las 76 series de observaciones realizadas durante unos decenios. Si en el modelo (5)
como factor exogénico no se aplica la dispersión D sino la intensidad del ruido climático
entonces se opto por aplicar el método de Pivovarova I. (1998) para obtener
G N~
G N~ ,
por medio de
D. Esta metódica esta basada en las conclusiones de N. A. Speranskaya sobre el papel decisivo
del “ruido blanco” en la dispersión de las precipitaciones (95 %). Al suponer que la representación
espectral del ruido externo se expresa como:
G N~ ( w) =
1
D
a
∫ K (τ ) exp( jwτ )dτ =
2π
2π w 2 + а 2
(donde K(τ) – función autocorrelativa de las precipitaciones con la velocidad de disminución α; ω –
frecuencia) e idealizando este ruido como “blanco”, Pivovarova determinó la relación entre
G N~
y
la Dispersión:
¡Error!Marcador no definido.
(6)
donde la constante 1/2 πα se recibe en el etapa de parametrización del modelo.
En el presente trabajo en los puntos de observaciones actuales de la escorrentía se realizaba la
parametrización del modelo (5); es decir, se calculaba, entre otros valores, la intensidad del ruido
climático
G N~ . Luego, en base a la dispersión conocida de precipitaciones y según la fórmula (6)
se determinaron los valores numéricos del parámetro a = 1/2 πα, por las cuales se obtuvieron las
medias para cada una de las tres regiones naturales posteriormente se cálculo de intensidad del
ruido climático utilizando las evaluaciones interpoladas de dispersión en la red de 1˚ de longitud y
de 1˚ de latitud , y asi de esta manera, concluir con el levantamiento del mapa de isolíneas del
parámetro G N~ .
Después, en base a los mapas de
N y G N~ , así como de los mapas existentes de los
coeficientes de escorrentía, se realizaron los cálculos de dos de los momentos iniciales en los
nodos de dicha red según el modelo (5). Estos momentos servían de base para calcular la norma
y coeficiente de variación que en seguida se reflejaban en el mapa. Las isolíneas formadas para
las laderas orientales de los Andes casi coincidieron con aquellos obtenidos según el método
normal a base de las series reales de observaciones. A pesar de que el error de las evaluaciones
Optimización de la Red Hidrológica Básica…
realizadas de este modo fue mas grande que el de la metodología normal (según Kovalenko 7 12 % para la norma y 17 - 25 % para el coeficiente de variación), el modelo FPK ha sido adaptado
a las condiciones de Bolivia para realizar la optimización de la red hidrológica.
Para argumentar la seguridad del modelo, fueron realizadas, utilizando el criterio de concordancia
de Kholmogorov las comparaciones de las curvas de probabilidad, formadas en base a los valores
de las características tomadas de los mapas y calculados en el modelo.
Para obtener las evaluaciones del criterio de representatividad fue formada una curva de
reducción Y = f(F). Para la parte plana del país, donde la poca densidad de la red no permitió
obtener una segura curva de reducción, el valor de Frepr fue tomado similarmente a la zona forestal
de Rusia y en concordancia con las recomendaciones de la Organización Meteorológica Mundial
2
(1500 km ).
Las evaluaciones numéricas del criterio de gradiente fueron realizadas integralmente para cada
una de las tres zonas marcadas. El carácter de las isolíneas del módulo de escorrentía permitió
dividir la segunda zona en dos subzonas: los territorios de colección del agua de la parte del norte
y de la del sur . Así como la parte llana del país se dividió en otras dos: el noroeste y el sudeste y
pantanoso.
Debido a la cantidad insuficiente de los puntos de observación, para realizar la evaluación del
criterio de correlación fueron aplicadas las funciones espaciales de correlación del módulo del
desagüe anual y también de las sumas anuales de precipitaciones.
En el cuarto capítulo del trabajo fue realizada la optimización de la red teniendo en cuenta los
cambios perspectivos de la escorrentía bajo su escenario no estacionario.
Existen dos causas principales de los cambios de la escorrentía: durante muchos años los
cambios globales del clima (incluso los del carácter antropogénico) y variaciones de los factores
de la superficie. Es bien conocido, que los escenarios principales donde de observa un
calentamiento, como regla general, es en el hemisferio norte; por esta razón, debido a ausencia de
un escenario seguro de los cambios del clima en Bolivia, el presente trabajo contiene la
modelación imitativa del cambio probable del campo de la escorrentía, considerando el aumento y
la disminución total de la norma de las precipitaciones en limites de ± 20 %. En base a los
resultados de dicha modelación fueron levantados los mapas predictivos de la norma y el
coeficiente de variación de la escorrentía (según los escenarios existentes para el hemisferio del
norte, los cambios significativos del nivel de precipitaciones puede tener lugar dentro de unos
decenios).
El modo más simple de tomar en cuenta las variaciones perspectivas de los factores de la
superficie dentro del modelo utilizado (5) es utilizar el parámetro c (la cantidad inversa al
coeficiente de escorrentía). En el caso de Bolivia, tales factores son el cambio de densidad
demográfica y la probabilidad de la tala de los bosques, en relación con el desarrollo económico
de la región de las Llanuras orientales.
Aproximadamente el 80 % de la población de Bolivia esta localizada en el altiplano o Puna y en las
laderas orientales de los Andes. La evaluación aproximada de la influencia del nivel de
urbanización en el coeficiente de escorrentía puede ser realizada en base de los resultados de B.
S. Ustyuzhanin:
k = k0 + aγ,
donde k0 – coeficiente de escorrentía en condiciones normales; a – parámetro, dependiente de la
latitud del lugar (para las regiones montañosas a = 0.05); γ – nivel de urbanización (relación entre
la superficie ocupada por las poblaciones f y la superficie total del territorio investigado). Para
determinar el valor de f Ustyuzhanin (1989) recomienda utilizar la fórmula siguiente:
n
f = (H/1000) ,
donde H – densidad de la población, n ≈ 0.7 ÷ 0.9.
Optimización de la Red Hidrológica Básica…
Teniendo en cuenta, que la población de Bolivia es igual aproximadamente 8 millones de personas
2
y que la superficie ocupada por 80 % de la población (montes, altiplano) es igual a 400 km ,
2
recibimos f ≈ 5600 km (γ ≈ 1.4 %). Así, con el valor medio del coeficiente de escorrentía igual k =
0,5, el componente de urbanización es igual a 0.07; es decir, existen motivos de aumentar el
coeficiente de escorrentía a 20 %. Esta variante predictiva del campo de la escorrentía fue
realizada para la Meseta Boliviana y las laderas orientales de los Andes.
Para la parte plana de Bolivia fue investigada la reacción del campo de la escorrentía a la tala
probable del bosque que ocupa 40 % del territorio del país. Según las evaluaciones hechas en la
URSS a base de resultados de observaciones en 3362 estaciones (Rozhdextvenski A. et al.,
1970), la disminución de dicha superficie en una cuarta parte disminuye la norma de la escorrentía
en un 12 % y aumenta el coeficiente de variación en 20 - 30 %. Así, en el proceso de predicción
de los cambios probables de la escorrentía para la parte llana del país, el coeficiente de
escorrentía tendría que disminuir en un 15 %, lo cual fue realizado en la presente investigación.
Según los resultados obtenidos fueron levantados los mapas predictivos de la norma y el
coeficiente de variación del módulo de escorrentía, que sirvieron de base para la optimización de
la red si los radios de correlación espacial y criterios de representatividad permanecen constantes
bajo las nuevas condiciones climáticas. La densidad de la red varía en limites de ± 30 %, en
comparación con su estado actual (sin tomar en consideración las estaciones conservadas) en
dependencia del cambio escogido. Sin embargo, para ciertas zonas marcadas la composición
anómala de la red puede cambiar radicalmente en comparación a lo antes descrito.
Finalmente, se realizó un breve análisis económico con el fin de justificar la inversión estatal en el
montaje de la red hidrométrica básica con criterios óptimos y bajo un posible escenario climático,
así como también bajo un comportamiento normal del clima. Los aspectos relevantes de tal
análisis reflejan el beneficio netamente económico de tal inversión a largo plazo, así como también
los beneficios ambientales y sociales de la misma, ya que la administración pública de los recursos
naturales tales como el hídrico exige ante todo una base de información mínima. La red nacional
básica debe existir para generar bienestar en la población, en las inversiones del sector privado,
en las inversiones del mismo Estado y en el bienestar del medio ambiente. Este proyecto no será
fácil de iniciar, exigirá múltiples esfuerzos, además, significará solucionar situaciones de conflictos
complejas, pero estamos seguros que sí es posible realizarlo de manera colectiva e integral.
Interpretando a Dourojeanni A. (1997), el proceso de materialización está integrado por 10 etapas
que van desde la identificación de los actores hasta la ejecución del programa:
1.
La determinación de los actores involucrados en la planificación de la red es una actividad
esencial; actores se define como a todos los interesados que intervienen activa o
pasivamente o que contribuyen; es decir, los usuarios de la información hidrológica y
todos aquellos que reciben los efectos del conocimiento a generar.
2.
la determinación de los criterios que rigen las acciones de los actores es fundamental para
conocer cuál es la posición de los actores en el proceso de planificación y consiste en
averiguar qué enfoques, paradigmas o principios tienen los participantes; este ejercicio es
fundamental para facilitar el entendimiento mutuo de los actores ó los acuerdos entre los
interesados.
3.
La identificación de los problemas vinculados a las condiciones de incertidumbre en la
inversión en el ámbito de interés, tal y como lo perciben cada uno de los actores ó grupo
de actores participantes del proceso. Se debe analizar las causas y los efectos de cada
problema, clasificarlos y categorizarlos desde diferentes perspectivas, determinar cuáles
son los problemas actuales, y analizar los procesos históricos que llevaron a la situación
actual y proyectarlos a futuro. La detección de problemas constituye la clave para definir
los objetivos medios de la planificación, pues los superiores se toman de la Constitución
Política.
4.
La transformación de las demandas en información y los problemas detectados en
objetivos es una tarea fundamental para convertir el conjunto de problemas identificados
Optimización de la Red Hidrológica Básica…
por los usuarios del dato (externos e internos con respecto al SENAMHI) en diferentes
formas y con diversos grados de precisión en objetivos jerarquizados lo más concretos
que sea posible.
5.
La delimitación y clasificación de los ámbitos ó territorios dentro de los cuales se pretende
alcanzar los objetivos: ámbito geográfico, económico, institucional, etc.
6.
La determinación de las restricciones que deben superarse para alcanzar los objetivos
dentro de los ámbitos previamente delimitados son los obstáculos que se deben superar
para solucionar los problemas identificados (expresados en términos de objetivos) y no los
problemas en sí. Por ejemplo, si el problema es la pérdida de dineros en la inversión
estatal ó el malestar de la población en un sitio determinado debido a la incertidumbre
hidrológica; las restricciones para alcanzar ese objetivo pueden ser la falta de información,
el desconocimiento de tecnologías como las simulaciones, la falta de gestión pública, etc.
Las restricciones podrían clasificarse en técnicas y físicas, políticas y legales, económicas,
institucionales, administrativas, sociales y culturales, científicas, etc.
7.
La propuesta de soluciones para superar las restricciones detectadas, con el fin de lograr
los objetivos medios establecidos dentro de los ámbitos delimitados se selecciona a partir
de un conjunto de opciones posibles o se conciben específicamente de acuerdo con las
restricciones, los ámbitos, los objetivos y las estrategias globales de acción; las
propuestas deben ser realistas.
8.
La siguiente etapa consiste en determinar qué estrategias se van a aplicar, calculando
cuidadosamente el beneficio y su contribución a la equidad de cada acción posible con el
fin de: lograr soluciones políticas, sociales, económicas, ambientales, técnicas viables;
superar las restricciones más urgentes y de menor complejidad y costo; armonizar los
aportes de las diferentes instituciones que tengan responsabilidades e intereses en el
ámbito; determinar la efectividad en función de los costos de la superación de cada
restricción con los recursos y tiempo disponible, etc. Las estrategias determinan cómo
deben realizarse las actividades continuas y las discontinuas y, cómo debe funcionar el
sistema de organizaciones públicas encargadas de llevarlas a cabo.
9.
La penúltima etapa consiste en la formulación de programas que permitan aplicar las
estrategias seleccionadas y evaluarlas.
10.
La última etapa, consiste en la ejecución de las actividades y su posterior seguimiento.
Optimización de la Red Hidrológica Básica…
CONCLUSIONES
Contiene el resumen de los resultados principales de la investigación:
A. Evaluación, prolongación y elaboración estadística de las series de observaciones del régimen
hidrometeorológico de Bolivia, lo que permitió levantar los mapas de isolíneas de dos
momentos iniciales (norma y coeficiente de variación) de la escorrentía anual y precipitaciones
(para los segundos momentos iniciales tal operación fue realizada por primera vez).
B. Evaluación de intensividad del ruido climático con reflexión de sus valores en el mapa de
Bolivia, lo que permitió aplicar el modelo de formación escorrential para la evaluación
estadística de la norma y el coeficiente de variación de la escorrentía anual en aquellos
departamentos de Bolivia, donde los resultados de observaciones hidrológicas antes
realizadas se consideraban insuficientes.
C. Levantamiento de los mapas donde se reflejan los cambios probables de las características
estadísticas del campo de la escorrentía anual de Bolivia en el transcurso de muchos años,
tomando en cuenta las variaciones más probables de las sumas anuales de precipitaciones,
densidad demográfica y porcentaje del territorio cubierto por bosques.
D. Determinación de los valores numéricos de los criterios fundamentales de la red básica óptima
(criterios de gradiente, de correlación y de representatividad) para cinco regiones (para todo el
territorio boliviano), lo que permitió determinar la cantidad óptima de estaciones hidrológicas,
teniendo en consideración los cambios perspectivos de la escorrentía anual.
La presente investigación a nivel de doctorado co-patrocinada por el Programa Hidrológico
Internacional UNESCO, cuyo Representante por América Latina y el Caribe es el Dr. Carlos
Fernández-Jáuregui, a quien le agradecemos su apoyo continuo e incondicional, permite por
primera vez enfocar el diseño de una red hidrométrica bajo escenarios de cambios climáticos.
Obviamente, que la misma no es el final de tal tarea, sino por el contrario representa el inicio del
manejo integral del recurso hídrico en términos ingenieriles.
Optimización de la Red Hidrológica Básica…
Principales resultados de la Optimización de la red Hidrológica básica de Bolivia
Zona
Planicie
Características
Sur
Oriental
2
Area км
-
Laderas
orientales de
los Andes
Alta montaña
Nor Occidental
Sur
Norte
1440000
535000
151000
88000
190000
6.21
16.7
1.67
3.80
12.5
0.44
0.17
0.73
0.46
0.26
39000
99000
62000
2000
9000
3000
155000
450
3000
28000
Estaciones existentes
13
4
10
27
6
Cantidad
óptima
de
estaciones, bajo escenario
del clima actual
7
4
5
36
10
Estimación
de
las
estaciones bajo el nuevo
escenario *
11/11
2/5
14/14
19/32
6/21
Estaciones bajo: cambio
del
coeficiente
de
escorrentía a causa del
aumento de la población y
deforestación
20
6
9
2
11
Módulo de
2
anual, l/с км
escorrentía
Coeficiente de Variación
2
Criterio de gradiente, км
2
Criterio de correlación, км
Nota: *- Cantidad bajo el nuevo escenario con aumento de lluvias en un 20%/ Cantidad bajo el nuevo
escenario con disminución de lluvias en un 20%.
Optimización de la Red Hidrológica Básica…
BIBLIOGRAFIA
1.
Bongkang, C. (1999) Generación de caudales sintéticos mediante criterios físicos.
Resumen de la Tesis Doctoral, Archivo de la Biblioteca UEHMR. San Petersburgo. En ruso.
2.
CEPAL (1994). Los procesos naturales y artificiales en la transformación de la estructura
productiva; LC/R. 1459. Santiago de Chile.
3.
Dourojeanni, A. (1994) La gestión del agua y las cuencas en América Latina; LC/G. 1832-P,
Santiago de Chile.
4.
Drozdov, O., Shepelievskii A. A. (1946) Teoría de la interpolación en un campo estocástico
de los elementos meteorológicos y su aplicación en el interrogante sobre los mapas y la red
racional. Estudios Gidrometcentr vol 13. Moscú. En ruso.
5.
Karasiev, I. F. (1968) Los principios de la ubicación de la red hidrológica y sus perspectivas
de desarrollo. Estudios GGI. San Petersburgo. En ruso.
6.
Karasiev, I. (1980) Hidráulica fluvial y los recursos hídricos. Gidrometeoizadt. Leningrado.
En ruso.
7.
Karasiev, I. (1992) Métodos estocásticos en hidráulica e hidrometría. Gidrometeoizadt. San
Petersburgo. En ruso.
8.
Kovalenko, V. V. (1984) Medición y estimación de las características del fluido no uniforme.
Gidrometeoizdat. Leningrado. En ruso.
9.
Moss, M. (1982) Concepts and techniques in hydrological network design. WMO operational
hydrology report No. 19, WMO report No. 580. Geneve.
10.
Ontiveros, M. (2000) Optimización de la red hidrométrica básica en la República de Bolivia
bajo un escenario de cambio climático. Resumen de la Tesis Doctoral, Archivo Biblioteca
UEHMR. San Petersburgo. En ruso.
11.
Ontiveros, M. (1997) Estimación de caudales mínimos de las corrientes superficiales en el
Altiplano boliviano. Resumen de la Tesis de M. Sc., Archivo de la Catedra de analisis
hidrologico UEHMR. San Petersburgo. En ruso.
12.
Organización Meteorológica Mundial. (1994) Guía de prácticas hidrológicas. OMM No. 168.
Ginebra.
13.
Oumanets, I. U. (1999) Aplicación de los métodos modernos para la generación de
información hidrológica. Documento de Investigación para el concurso de admisión a
estudios de doctorado. UEHMR. San Petersburgo. En ruso.
14.
Oumanets, I. U. (1996) Análisis del caudal mínimo de los ríos en Colombia. Estudio de
caso: Cuenca del río Magdalena. Tesis de Grado (M.Sc.), UEHMR. San Petersburgo. En
ruso.
15.
Pivavarova, I. (1998) Estimación de la influencia de los factores climáticos en la simulación
estocástica del caudal anual. Resumen de la Tesis Doctoral, Archivo de la Biblioteca
UEHMR. San Petersburgo. En ruso
16.
Rivera, H. (1999) El monitoreo ambiental con énfasis en la red hidrológica. Informe Especial
No. 1, ensayo borrador enviado al IDEAM. San Petersburgo.
17.
Rivera, H. (2000) El monitoreo ambiental con énfasis en la predicción hidrológica. Informe
Especial No. 2, ensayo borrador enviado al IDEAM. San Petersburgo.
18.
Rozhdientevenskii, A. (1990) Estimación de la calidad de los resultados de las estimaciones
estadísticas hidrológicas Gidrometoizdat. Leningrado. En ruso.
19.
Rozhdientevenskii, A. (1970) Análisis de las ondulaciones multianuales del caudal anual y
los métodos matemáticos para su interpretación, en: Estudios Hidrológicos GGI, No. 10.
Leningrado. En ruso.
Optimización de la Red Hidrológica Básica…
20.
SENAMHI de Bolivia (1999) Sistema de monitoreo y alerta temprana para zonas propensas
a inundaciones en la cuenca del río Mamore. La Paz.
21.
Stewart, B. (1998) An intercomparison of hydrological network design technologies HYNET.
Technical reports in hydrology and water resources, No. 62. WMO / TD No. 897. Geneve.
22.
UNESCO (1974) Balance Hídrico Mundial y Recursos Hídricos del Planeta. Década
Hidrológica Internacional, Gidrometeoizdat. San Petersburgo. En ruso.
23.
Yustizhanin, B. (1989) Reacción de la escorrentía ante la urbanización. Estudios Científicos
Interinstitucionales, No. 10, IEHMR. Leningrado. En ruso.
Las ideas expresadas por los autores de
los artículos firmados pertenecen a los
mismos y no reflejan necesariamente las
de la UNESCO.