ESTUDIO DEL BALANCE HÍDRICO PARA LA CUENCA DEL RÍO CAIGUA, VILLAMONTES (BOLIVIA) Ing. Víctor Roldán Becerra Enero de 2011 I. ANTECEDENTES El agua es un recursos natural fundamental para el ser humano, por lo que es necesario defenderlo como derecho humano y social de los pueblos. Impulso de instrumentos de planificación del uso y conservación de los recursos hídricos por entidades gubernamentales, organismos multilaterales y bilaterales Trabajo en la Ordenación de Cuencas mediante el desarrollo de Planes de Manejo Integral de Cuencas (PMIC). II. JUSTIFICACIÓN PLANES DE MANEJO INTEGRAL DE CUENCAS Deficiencias en cuanto a datos hidrológicos cuantitativos. Buenos diagnósticos y valiosa información biofísica y socioeconómica Se desconoce la disponibilidad de agua y la dinámica hidrológica de la mayoría de las cuencas de Bolivia Búsqueda y estudio de una metodología práctica, viable y suficientemente exacta para la determinación de balances hídricos en subcuencas y microcuencas III. OBJETIVOS Plantear metodologías para el conocimiento y análisis de la dinámica hidrológica y la potencialidad de los recursos hídricos, siempre adaptadas a la disponibilidad de datos hidrometeorológicos, características físicas y biofísicas de las cuencas. Obtención y procesado de cartografía valiosa para estos enclaves. Estudio y selección de métodos de transformación lluvia - escorrentía Obtención de datos hidrometeorológicos, tratamientos estadísticos y caracterización de datos. Elaboración de un modelo de balance hídrico - matemático El Chaco boliviano es una región semiárida con una fuerte variabilidad climática y pluviométrica. Un cambio en estos patrones causado por el cambio climático obliga a enfocar cada vez más los estudios hacia una adaptación de la gestión del agua en este escenario. Por ello, el “Estudio del Balance Hídrico para la Cuenca del Río Caigua” constituye un método para evaluar el impacto que provocarían estos fenómenos en los caudales hídricos, de modo que se pueda evaluar la seguridad de suministro de agua para los usuarios y el medio ambiente. IV. ESTRUCTURA Y ALACANCE DEL BALANCE HÍDRICO PARA CAIGUA 1 - Estudio del Medio Físico de la Cuenca del río Caigua; 2 - Descripción general del ciclo hidrológico, utilidad de los balances hídricos, y la importancia en el análisis de sus diferentes parámetros para el manejo y la ordenación de los recursos hídricos; 3 – Procesado y Análisis de datos climáticos recolectados, análisis de su tipología. Análisis de la variabilidad mensual y anual termo – pluviométrica, estudio pluviométrico y tratamiento estadístico. 4 - Determinación de una metodología para la obtención de la evapotranspiración de referencia y de cultivo y posibilite su entrada en el modelo hídrico planteado; 5 - Desarrollo del Estudio Hidrológico Superficial. Proceso de obtención de la cartografía, caracterización física de la cuenca, y metodología utilizada en la modelización de la transformación precipitación en escorrentía el cual va ha caracterizar el comportamiento de la Cuenca ante un aguacero; 6 - Aproximación y enfoque del balance hidrológico construido en Matlab, presentándose las diferentes suposiciones e hipótesis; 7 - Resultados y conclusiones de la simulación mensual y anual de la serie de datos diarios y su análisis de sensibilidad. 2. DESCRIPCIÓN DEL CICLO HIDROLÓGICO El ciclo hidrológico comprende una serie de procesos continuos e interdependientes de movimiento y transferencia de masa y energía, en el cual el agua en sus diferentes estados físicos se desplaza en la a tierra, el océano, en cuerpos de agua y en la atmósfera. Se inicia el ciclo con el paso de estado físico del agua de líquido a gaseoso por evaporación y evapotranspiración El vapor asciende a la atmósfera, enfriamiento adiabático y condensación y precipitación Parte de esta precipitación es interceptada por la vegetación, la cual evapora desde su dosel. La que llega al suelo, o sufre fenómenos de acumulación o sufre el proceso de transformación lluvia – escorrentía, el cual determina los procesos de infiltración y escorrentía. Precipitación total Abstracción Inicial Infiltración La escorrentía superficial se genera cuando se llega al límite de capacidad de asimilación de agua en el suelo, también llamado “umbral de escorrentía”. Éste caracteriza la capacidad de almacenamiento de agua en la matriz superficial del suelo. Precipitación en Exceso Escorrentía Sub-superficial Escorrentía Superficial Flujo Base Percolación Profunda El agua que se infiltra, una parte escorrentía sub-superficial (saturación del suelo, capacidad de almacenamiento de agua, estructura geológica del subsuelo. Otra percola hacia capas inferiores, recarga de acuíferos o conforma junto con la escorrentía subsuperficial el flujo base que alimenta ríos y manantiales BALANCE HÍDRICO Descripción y cuantificación de los parámetros involucrados en el ciclo hidrológico. Generalmente se utilizan para evaluar la potencialidad de uso de los recursos hídricos y evaluar los consumos de agua de las diferentes actividades. Permite tomar medidas y establecer lineamientos de forma que se garantice la disponibilidad de agua tanto en cantidad como en calidad. ENTRADAS: Precipitación; Importaciones de otra cuenca; Retornos de la demanda SALIDAS: ETc, Evaporación de cuerpos de agua, Escorrentía superficial y Subsuperficial; Demanda; Recarga de acuíferos; Almacenamiento PRECIPITACIÓN, VARIACIÓN ESPACIAL Y TEMPORAL: se considera la precipitación constante a nivel espacial, obteniendo la variación temporal de la serie de datos de registros diarios EVAPOTRANSPIRACIÓN: El término evapotranspiración involucra los conceptos de Evapotranspiración de Referencia (ET0), Evapotranspiración de Cultivo (ETC) y Evapotranspiración Real ESCORRENTÍA SUPERFICIAL: respuesta hídrica de la cuenca, condicionado por el área de la cuenca, el tipo de cobertura vegetal y uso de suelo, tipo de suelos y pendiente del terreno. FLUJO BASE Y PERCOLACIÓN PROFUNDA: no ha podido ser estudiado. Sin embargo si se obtiene la INFILTRACIÓN como resultado de la diferencia entre la precipitación caída, la escorrentía superficial y la abstracción inicial. ABSTRACCIÓN INICIAL: parte del agua que se infiltra y que es retenida por el suelo, produciéndose un almacenamiento en la matriz ECUACIÓN DE BALANCE HÍDRICO ADOPTADA La ET Real es un parámetro estimado en base a las características fisiológicas de la vegetación, las condiciones climáticas y otros parámetros aerodinámicos, es preferible deducir tal ecuación específicamente para un aguacero. 3. CLIMATOLOGÍA Y METEOROLOGÍA 1 - Estudio Climatológico, caracterizar climatológicamente la Cuenca; - SELECCIÓN DE ESTACIONES METEOROLÓGICAS; - ANÁLISIS CLIMÁTICO; - INDICES CLIMÁTICOS. 2 - Estudio Pluviométrico,. Proporcionará la serie de datos diarios para el modelo hidrológico, viabilizarán los tratamientos estadísticos necesarios; - CONTEXTUALIZACIÓN DEL ESTUDIO; - SELECCIÓN DE ESTACIONES METEOROLÓGICAS; - COMPILACIÓN Y TRATAMIENTO DE DATOS; - AJUSTES ESTADÍSTICOS. 3 - Determinación de la Evapotranspiración de Referencia, con fin de obtener series de evapotranspiración mensual para cada año de registro - ECUACIÓN DE FAO PENMAN-MONTEITH; - PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO; - CONSTRUCCIÓN DE LAS SERIES DE ETO . - OBTENCIÓN DE LA EVAPOTRANSPIRACIÓN DE CULTIVO. La Vertiente 132 Distancia Presa (Km) 25 21º 20' 50" 63º 17' 14" 348 P-T-H-N Tarija 1990-2000 Carandayti 131 73 415,3 20º 40' 00" 63º 07' 00" 701 P Chuquisaca 1985-1995 Cumandayti 131 81,5 1037,2 20º 34' 00" 63º 53' 00" 1020 P Chuquisaca 1993-2003 Villamontes (AASANA) 120 13 873,8 21º 15' 00" 63º 28' 00" 360 P-T-H-N-V Tarija 2000-2009 Sachapera 120 59 892,1 21º 39' 38" 63º 33' 02" 619 P Tarija 2000-2009 Algarrobillas 120 76,5 805,9 21º 49' 00" 63º 15' 00" 480 P Tarija 2000-2009 Yacuiba 120 100 1055,5 22º 01' 00" 63º 42' 00" 580 P-T-H-N-V Tarija 2000-2009 Rosario del Ingre 120 110 780,6 20º 32' 56" 63º 53' 37" 495 P Chuquisaca 2000-2009 Mision La Paz Argentina 120 164 646,8 22º 22' 38" 62º 31' 23" 247 P Tarija 2000-2009 Palmar Grande 117 34 751,2 21º 27' 00" 63º 27' 00" 460 P Tarija 2000-2009 El Salvador 117 74,5 707,3 20º 34' 00" 63º 44' 00" 440 P-T-H-E-N-V Chuquisaca 1994-2005 Itau 115 79 895,3 21º 42' 00" 63º 52' 00" 800 P Tarija 2000-2009 Palmar Chico 114 82 1057,2 21º 52' 00" 63º 36' 00" 570 P Tarija 1999-2008 Aguaraycito 110 26 636,7 21º 23' 24" 63º 24' 44" 396 P-T-H Tarija 2000-2009 Carapari 102 85 891,8 21º 50' 00" 63º 45' 00" 805 P-T-H-V Tarija 1985-1994 Capirenda 91 40 656,7 21º 06' 00" 63º 01' 00" 701 P Tarija 1975-1983 Macharety 80 39 628,5 20º 48' 49" 63º 21' 36" 348 P Chuquisaca 1993-2003 Huacareta La Galeria 75 109 1134,3 20º 21' 40" 64º 00' 08" 269 P Chuquisaca 2000-2009 Esmeralda 73 144 597,4 22º 14' 00" 62º 38' 00" 269 P Tarija 1976-1982 San Bernardo 64 37,5 614,8 21º 26' 29" 63º 12' 45" 343 P Tarija 1977-1983 Aguayrenda 59 80 1613,3 21º 50' 00" 63º 39' 00" 660 P Tarija 1981-1987 Villamontes Bombeo 57 16,5 940,6 21º 15' 40" 63º 30' 12" 383 P Tarija 2005-2009 El Pibe Km9 56 14 1551,2 21º 15' 00" 63º 28' 00" 440 P Tarija 1982-1987 Crevaux 43 89 821,3 21º 49' 29" 62º 55' 03" 292 P Tarija 2005-2010 El Mezquinado 39 44,5 641,8 21º 20' 45" 63º 01' 42" 459 P Tarija 2005-2010 Tigüipa 35 17,8 880,8 21º 00' 02" 63º 19' 38" 515 P Tarija 2005-2009 Corvalan 20 102 ***** 21º 35' 30" 62º 32' 15" 287 P-T-H Tarija Puerto Margarita 19 38 **** 21º 11' 26" 63º 45' 41" 495 P Tarija 2005-2007 2005-2009 ESTACIÓN METEOROLÓGICA Registro (meses) Precipitación Media Anual (mm) 767,6 Latitud Sud Longitud Oeste Altitud Datos Departamen msnm Registrados to Los registros pluviométricos, térmicos y otros han sido obtenidos del Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología (SENAMHI). NIVELES DE SELECCIÓN 1er. Nivel: Listado de características de estaciones meteorológicas (E.M.) del SENAMHI. Preselección de aquéllas más cercanas. Otras no tan cercanas pero con datos de calidad y representativos de registros. 2º Nivel: Selección de E.M definidas por tres criterios: temporal, espacial y técnico. E.M pluviométricas y climatológicas para estudio climático y pluviométrico. Estudio pluviométrico: datos de precipitaciones obtenidas del “Proyecto de Riego Presa Caigua, Villamontes (Bolivia)” . Registros diarios rescatados desde 1980 hasta el 2002. Año de Registro ESTUDIO CLIMATOLÓGICO A. SELECCIÓN DE ESTACIONES METEOROLÓGICAS El criterio espacial: proximidad geográfica al ámbito de influencia de la Cuenca. E.M representativas aquellas inscritas en un radio de 100 km desagüe Presa Caigua. El criterio temporal: Cantidad y continuidad de datos. E.M representativa aquella con más de 100 registros mensuales continuos. Registros comprendidos en un mismo intervalo de años (ej. 2000 – 2009). Registro (meses) Distancia Presa (Km) Precipitación Media Anual (mm) Villamontes (AASANA) 120 13 873,8 21º 15' 00" 63º 28' 00" 360 P-T-H-N-V Tarija 2000-2009 Sachapera 120 59 892,1 21º 39' 38" 63º 33' 02" 619 P Tarija 2000-2009 Algarrobillas 120 76,5 805,9 21º 49' 00" 63º 15' 00" 480 P Tarija 2000-2009 Yacuiba 120 100 1055,5 22º 01' 00" 63º 42' 00" 580 P-T-H-N-V Tarija 2000-2009 Palmar Grande 117 34 751,2 21º 27' 00" 63º 27' 00" 460 P Tarija 2000-2009 Itau 115 79 895,3 21º 42' 00" 63º 52' 00" 800 P Tarija 2000-2009 Aguaraycito 110 26 636,7 21º 23' 24" 63º 24' 44" 396 P-T-H Tarija 2000-2009 ESTACIÓN METEOROLÓGICA Latitud Sud Longitud Oeste Altitud msnm Datos Departame Registrados nto Año de Registro Registro (meses) Distancia Presa (Km) Precipitación Media Anual (mm) Latitud Sud Longitud Oeste Villamontes (AASANA) 120 13 873,8 21º 15' 00" 63º 28' 00" 360 P-T-H-N-V Tarija 2000-2009 Yacuiba 120 100 1055,5 22º 01' 00" 63º 42' 00" 580 P-T-H-N-V Tarija 2000-2009 Aguaraycito 110 26 636,7 21º 23' 24" 63º 24' 44" 396 P-T-H Tarija 2000-2009 ESTACIÓN METEOROLÓGICA Altitud Datos Departam msnm Registrados ento Año de Registro ESTUDIO CLIMATOLÓGICO B. ANÁLISIS CLIMÁTICOS 1200 1000 Precipitación Media Anual Precipitación total (mm/mes) Precipitación Máxima diaria Temperatura Media Temperatura Media Mínima y Máxima Temperatura Máxima y Mínima Absoluta Nº de días de Lluvia Precipitación (mm) 800 600 400 200 Precipitación Media Mensual 250 0 Villamontes (AASANA) Precipitación (mm) 200 ESTACIÓN 873,8 Sachapera Algarrobillas 892,1 150 805,9 Yacuiba Palmar Grande Itau Aguaraycito 1055,5 751,2 895,3 636,7 Estación Meteorológica 100 30 ENE FEB MAR ABRIL MAY JUN JUL AGO SEP OCT Villamontes (AASANA) 170,5 146,4 136,1 73,4 13,7 3,9 Sachapera 159,7 150,6 191,7 63 9,3 3,5 Algarrobillas 159,3 134,5 139,8 69,7 9,4 Yacuiba 189,7 163,5 232,8 84,1 Palmar Grande 125,6 140,7 124,3 65 Itau 162,5 139,1 179,4 Aguaraycito 106,3 121,5 117,1 NOV DIC 0,6 0 5,7 0,1 0,9 7,2 50,4 104 168,9 49,8 106,6 0,4 0,1 0 1,7 149,7 48,3 92,8 150 12,5 6,4 1 2,1 7,5 1,2 0 0 2,7 60 112,1 188,7 5,3 46,8 83,3 103,3 71 19,9 7,1 1,2 48,3 4,8 0,3 0 0,4 5 58,1 83,6 157,4 0 4,3 48,3 53,4 106,3 Mes Año Hidrológico 28 26 Temperatura (ºC) 0 Temperatura Media Mensual 50 24 22 20 30 18 28 16 26 14 Temperatura ºC 24 22 20 18 16 14 12 y = 0,0002x + 23,091 2008 2007 2006 2005 2004 2003 2002 2001 1999 1998 1997 1996 1995 1994 1993 1992 1991 1990 1989 1988 1986 1985 1984 1983 1982 1981 1980 1979 1978 1977 1976 Año 1975 10 ENE FEB MAR ABRIL MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC Aguaraycito 28,4 27,3 26,4 23,7 19,4 18,8 18,4 20,9 23 26,9 27,7 27,9 Villamontes (AASANA) 27,4 26,5 25,8 22,9 19,2 18 17,8 20,3 22,6 26,6 27,2 27,1 Yacuiba 25,4 24,7 23,8 20,8 17 15,7 15,4 17,8 Mes Año Hidrológico 20,3 24,1 24,5 25 ESTUDIO CLIMATOLÓGICO C. INDICES CLIMÁTICOS Régimen pluviométrico, de Köppen Se deduce que pertenece al grupo “Cw”, definido Mesotermal (templado) húmedo, con invierno seco–lluvioso en verano. Índice de aridez, de Martonne IM TERRENO 0–5 Desierto 5 – 10 Semidesierto 10 – 20 Semiárido tipo mediterráneo 20 – 30 Subhúmedo 30 – 60 Húmedo > 60 Perhúmedo IM VEGETACIÓN --Estepa, con posibilidad de regadío Transición, escorrentías temporales Cultivos de secano y olivares Bosques, cría de ganado vacuno Aguaceros tropicales P T 10 IM = 873,8 / (23,4+10) = 26,15. Por tanto, de acuerdo con la clasificación de Martonne, se encuentra en clima “SUBHÚMEDO”. Factor pluviométrico de Lang fp ZONA 0-20 20-40 40-60 60-100 100-160 >160 Desierto Árida Húmeda de estepas y sabanas Húmeda de bosques ralos Húmeda de bosques densos Hiperhúmeda de prados y tundras fp P T = 873,8 / 23,4 = 34.59, por lo que la zona queda clasificada como “Árida” Índice pluviométrico de Blair P (mm) 0 – 250 250 – 500 500 – 1000 1000 – 2000 > 2000 CLIMA Árido Semiárido Subhúmedo Húmedo Muy húmedo para una precipitación anual de 873,8 mm se obtiene un clima “SUBHUMEDO”. Índice de temperatura de Thornthwaite It 0 0 – 15 15 – 30 30 – 65 65 – 125 > 125 CLIMA Nieve Tundra (frío) Taiga (frío) Microtermal Mesotermal Macrotermal VEGETACIÓN -Tundra (musgo) Floresta de coníferas Floresta microtermal Floresta media Floresta tropical It 5.4 T It = 5,4 x 23,4 = 126,4. Por lo tanto, el clima se clasifica como “MACROTERMAL” y la vegetación predominante como “FLORESTA TROPICAL”. ESTUDIO PLUVIOMÉTRICO A. CONTEXTUALIZACIÓN DEL ESTUDIO Obtención de los datos de precipitación que representarán la entrada requerida al modelo de balance hídrico para la Cuenca del río Caigua. Para definir la entrada pluviométrica: 1. Una serie pluviométrica diaria que comprenda todos los años y meses de registro. 2. Una serie pluviométrica diaria del año equivalente a la probabilidad de ocurrencia del 10, 25, 75, 50 y 90 % respectivamente. - Para obtener el balance hídrico anual con dichas probabilidades de ocurrencia 3. Una serie pluviométrica diaria del mes equivalente a la probabilidad de ocurrencia del 10, 25, 75, 50 y 90 % respectivamente. - Para obtener el balance hídrico mensual con dichas probabilidades de ocurrencia -. Para la obtención de las series Pluviométricas equivalentes a cada P.O, siguiente metodología: -Localización y selección de las estaciones pluviométricas del Estudio. -Compilación y tratamiento de los datos obtenidos para la estación seleccionada. -Tratamientos estadísticos para la obtención de las precipitaciones anuales y mensuales equivalentes para las probabilidades de ocurrencia de 10, 25, 50, 75 y 90 %. - Selección y construcción de las series pluviométricas diarias para cada probabilidad de ocurrencia. ESTUDIO PLUVIOMÉTRICO B. SELECCIÓN DE ESTACIONES METEOROLÓGICAS Registro (meses) Distancia Presa (Km) Precipitación Media Anual (mm) Villamontes (AASANA) 120 13 873,8 Caigua 273 5 1080,30 ESTACIÓN METEOROLÓGICA Latitud Sud Longitud Oeste Altitud msnm Datos Departament Registrados o Año de Registro 21º 15' 00" 63º 28' 00" 360 P-T-H-N-V Tarija 2000-2009 21º 9' 56'' 485 P Tarija 1980-2002 63º 25' 16'' C. COMPILACIÓN Y TRATAMIENTO DE DATOS MES/AÑO ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC ANUAL 1980 - - - 29,9 11,2 0,4 0,0 23,8 6,5 13,7 229,4 73,1 388,0 1981 217,1 340,7 207,1 223,4 50,4 8,5 2,0 22,4 1,0 64,5 36,0 167,4 1340,5 1982 201,5 186,9 375,3 193,5 20,3 21,0 21,8 7,4 10,3 10,3 69,4 228,7 1346,4 1983 225,7 160,5 76,0 141,3 44,4 24,2 23,6 2,5 2,0 28,1 66,6 144,1 939,0 1984 224,6 268,6 375,3 241,2 33,2 32,5 4,0 43,5 0,9 83,4 209,1 278,2 1794,5 1985 146,0 465,1 38,5 161,2 18,9 8,8 0,0 15,9 40,5 70,7 305,9 104,1 1375,6 1986 306,6 141,6 317,7 88,4 44,6 19,5 10,3 0,0 25,5 37,2 34,9 246,9 1273,2 1987 396,6 48,5 88,6 175,3 16,8 1,8 0,0 0,0 0,0 11,7 173,0 178,5 1090,8 1988 275,3 140,0 164,0 174,2 25,8 0,0 9,5 0,0 0,0 16,6 45,1 245,5 1096,0 1989 253,5 26,8 138,7 129,9 9,8 42,3 15,6 0,0 11,3 103,6 166,5 203,5 1101,5 1990 45,7 130,1 75,2 119,3 23,5 7,9 0,0 2,2 3,8 13,9 188,4 253,0 863,0 1991 159,7 187,0 180,5 64,0 47,0 3,0 0,0 0,0 50,5 12,1 75,8 79,4 859,0 1992 310,4 288,8 124,5 19,8 44,5 11,2 11,3 0,0 19,5 17,1 142,5 196,0 1185,6 1993 68,0 54,1 116,0 74,8 7,3 0,0 12,3 0,0 4,5 51,5 68,5 315,0 772,0 1994 96,2 180,0 39,2 57,0 94,0 0,0 0,0 7,0 17,0 75,1 161,5 206,5 933,5 1995 218,5 102,0 218,7 27,0 57,0 3,0 4,0 4,0 0,0 44,9 57,0 210,0 946,1 1996 252,0 165,5 52,5 147,8 109,3 18,1 0,0 4,5 8,7 76,2 162,5 198,0 1195,1 1997 203,0 385,5 245,8 90,5 3,5 10,4 1,4 3,3 47,0 27,3 83,5 124,7 1225,9 1998 235,5 161,2 212,0 100,7 3,0 6,5 2,8 13,1 0,0 97,5 239,2 71,0 1142,5 1999 130,8 128,3 350,0 43,3 29,9 53,5 16,5 0,0 0,0 44,0 38,0 121,3 955,6 2000 190,3 35,4 307,1 64,0 35,3 10,3 0,0 0,2 0,0 49,5 86,6 183,7 962,4 2001 87,4 107,3 135,2 54,0 15,4 2,2 0,0 0,0 10,5 77,6 57,5 170,5 717,6 2002 37,0 266,7 147,0 77,3 37,0 7,0 13,0 0,0 0,0 12,0 39,4 14,4 * Las precipitaciones de los meses de enero, febrero y marzo no fueron registradas. La media anual comprende los años 1981-2002 Precipitación anual media (mm) 650,8 1080,3 * ESTUDIO PLUVIOMÉTRICO D. AJUSTES ESTADÍSTICOS El análisis probabilístico para la obtención de precipitación para diferentes probabilidades de ocurrencia: -Considerar la serie de datos de precipitación como una muestra poblacional, por lo que será necesario ajustar sus registros mensuales y anuales a funciones de distribución conocidas. - Considerar la muestra como una población, por lo que un simple análisis de frecuencias es suficiente para la obtención de la magnitud de precipitación para las diferentes probabilidades. OBTENCIÓN DE LAS FUNCIONES DE DISTRIBUCIÓN f ( x) 1 2 GUMBEL e 1 x ( 2 )2 F ( x) e e b GAUSS T 1 T ESTUDIO PLUVIOMÉTRICO D. AJUSTES ESTADÍSTICOS AJUSTE DISTRIBUCIÓN ESTADÍSTICA AJUSTE DISTRIBUCIÓN ESTADÍSTICA ESTACIÓN PLUVIOMÉTRICA DE CAIGUA REGISTRO ANUAL DE PRECIPITACIONES 1980 - 2002 Año Pp (mm) 1.340,5 1.346,4 939,0 1.794,5 1.375,6 1.273,2 1.090,8 1.096,0 1.101,5 863,0 859,0 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 ación Año ESTACIÓN PLUVIOMÉTRICA DE CAIGUA REGISTRO MENSUAL DE PRECIPITACIONES 1980 - 2002 Pp (mm) 1.185,6 772,0 933,5 946,1 1.195,1 1.225,9 1.142,5 955,6 962,4 717,6 650,8 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 1980 ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC Periodo de Retorno (años) Probabilidad % Precipitación mm Distrib.GUMBELL Precipitación mm Distrib.GAUSS Precipitación mm Muestral 1,1 1,3 2 4 5 10 20 100 90 75 50 25 20 10 5 1 720 848 1021 1240 1304 1491 1671 2079 715 879 1061 1243 1289 1407 1506 1690 718 934 1091 1226 1273 1346 1376 1795 ………….. ………….. ………….. ………….. ………….. ………….. ………….. ………….. ………….. ………….. ………….. ………….. ………….. 1982 201,53 186,9 375,3 193,5 20,3 21 21,8 7,4 10,3 10,3 69,4 228,7 2001 87,4 107,3 135,2 54 15,41 2,2 0 0 10,5 77,6 57,5 170,5 2002 37 266,7 147 77,3 37 7 13 0 0 12 39,4 14,4 Periodo de Retorno (años) Probabilidad % Precipitación mm Distrib.GUMBELL Precipitación mm Distrib.GAUSS Precipitación mm Muestral 1,1 1,3 2 4 5 10 20 50 100 90 75 50 25 20 10 5 2 1 -12,45 28,06 82,98 152,66 172,78 232,24 289,27 363,09 418,41 -27,00 32,50 98,96 165,36 181,55 225,00 260,90 301,10 328,00 6,5 17,10 64,00 165,50 187,00 241,20 375,30 375,30 465,10 490 Comparativo Distribuciones - Muestra 2.000 29,9 11,2 0,4 0 23,8 6,5 13,7 229,4 73,1 1981 217,1 340,7 207,1 223,4 50,4 8,5 2 22,4 1 64,5 36 167,4 Comparativo Distribuciones - Muestra 390 Precipitación mensual (mm) 1.500 Precipitación mensual (mm) 1.000 500 Distrib.GUM BELL Distrib.GAUS S Muestral 290 190 Distrib.GUMBELL 90 Distrib.GAUSS Muestral 0 90 75 50 25 20 Probabilidad % 10 5 1 -10 90 75 50 25 20 Probabilidad % 10 5 2 1 DETERMINACIÓN DE LA EVAPOTRANSPIRACIÓN DE REFERENCIA (ETo) Evapotranspiración: Proceso físico de pérdida de agua por evaporación, y fenómenos fisiológicos de transpiración que realiza la vegetación. Thornthwaite: Dependía de un parámetro definido exclusivamente por el tipo de clima y que determina el máximo potencial de realización de este fenómeno. No tuvo en cuenta factores como la influencia aerodinámica, el control de la vegetación y las características de la radiación. Penman: “Evapotranspiración de Referencia” (ET0) se relaciona con un tipo específico de cultivo. Incorpora sus procesos biológicos y físicos. Superficie de Referencia, evita la necesidad de definir parámetros únicos de evaporación para cada cultivo y etapa de crecimiento, relacionándose la ET de referencia por medio coeficientes de cultivo. Consulta a expertos: el método de FAO Penman-Monteith es el recomendado como único método estándar para la definición y cálculo de la evapotranspiración de referencia, pudiéndose determinar los valores de ET0 en todas las regiones y climas. Dicho método requiere datos de radiación, temperatura del aire, humedad atmosférica y velocidad del viento. DETERMINACIÓN DE LA EVAPOTRANSPIRACIÓN DE REFERENCIA (ETo) A - ECUACIÓN DE FAO PENMAN-MONTEITH En 1990, panel de expertos e investigadores en riego, organizado por la FAO en colaboración con la Comisión Internacional para el Riego y Drenaje y la Organización Meteorológica Mundial. Se recomendó la adopción del método combinado de Penman-Monteith como nuevo método estandarizado para el cálculo de la ETr y aconsejo procedimientos para el cálculo de los parámetros que incluyen la fórmula. La ecuación de FAO Penman-Monteith, representación de los factores físicos y fisiológicos del proceso de la ET. Los coeficientes del cultivo relacionan la ET medida del cultivo (ETC) con la ET0 calculada, es decir: Kc = ETc/ETo. Kc toma en cuenta las diferencias del dosel del cultivo y la resistencia aerodinámica con relación al cultivo hipotético de referencia. B – DATOS DE CÁLCULO LOCALIZACIÓN: Altura sobre el nivel del mar y latitud. Para ajustarla presión atmosférica, radiación extraterrestre y la insolación TEMPERATURA: Temperatura diaria promedio máxima y mínima en grados centígrados (°C). HUMEDAD: Derivados de la humedad relativa máxima y mínima (%). Más exacto, cociente presión real de vapor y presión de saturación de vapor RADIACIÓN: Datos no disponibles comúnmente pero pueden derivarse de la radiación de onda corta o de la duración real diaria del sol brillante VIENTO: Velocidad del viento diaria en metros por segundo medida a 2 m de altura sobre el nivel del suelo DETERMINACIÓN DE LA EVAPOTRANSPIRACIÓN DE REFERENCIA (ETo) C – PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO OBTENCIÓN DE DATOS CLIMÁTICOS CON “CLIMWAT Programa desarrollado por la Unidad de Gestión y Desarrollo del Agua en conjunto con la Unidad para el Cambio Climático y la Bioenergía de la FAO. Base de datos con interfaz gráfico – recoge datos agroclimáticos observados en más de 5000 estaciones en todo el mundo - da los parámetros necesarios para el cálculo de la ET0. Proporcionó los siguientes valores medios de registros mensuales a largo plazo para las estaciones de Yacuiba, Camiri y Tarija: • Temperatura máxima y mínima media diaria en ° C • Humedad relativa media en % • Velocidad media del viento en Km./día • • • • Horas de sol promedio por día Radiación solar media en MJ/m2/día Precipitación mensual en mm/mes Precipitación efectiva mensual en mm/mes ETO CALCULATOR Software de la División de Tierras y Aguas de la FAO. Calcula la (ET0) por medio de la ecuación FAO Penman-Monteith y de acuerdo a las normas de la FAO 1. Cálculo de la ET0 mensual correspondiente a las series de registro de la estación meteorológica de Villamontes AASANA, comprendiendo los años 2000 a 2006. 2. Cálculo de la ET0 media mensual de los datos climáticos proporcionados por CLIMWAT para las estaciones de Yacuiba, Tarija y Camiri. C – PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO DETERMINACIÓN DE LA EVAPOTRANSPIRACIÓN DE REFERENCIA (ETo) D – CONSTRUCCIÓN DE LAS SERIES DE ETo 1 - ETO A PARTIR DE REGISTROS VILLAMONTES (AASANA) - Selección de la ET0 calculada para los meses de registro. Ej: La ET0 mensual para Villamontes entre los meses de 2002 al 2000 se correlacionan con los mismos años de la serie de Caigua. - Aplicación de la media mensual para los meses que no se relacionen con la serie de registros. Ej: a la serie temporal de Caigua, desde 1999 a 1980, se le aplica la ET0 media mensual calculada para Villamontes (años 2000-2006). 2 - ETO A PARTIR DE DATOS CLIMÁTICOS DE CLIMWAT CLIMWAT presenta datos obtenidos de series climáticas históricas longevas y actualizadas, por ende, los valores mensuales calculados de ET0 para Yacuiba resultarán representativos para la construcción de una serie mensual para cada año hidrológico que se quiera analizar. Como metodología general para la generación de series ET0 en este tipo de trabajos se optará por lo detallado. Sin embargo se recomienda como metodología específica en caso de se tengan registros climáticos mensuales la primera opción E – OBTENCIÓN DE LA EVAPOTRANSPIRACIÓN DE CULTIVO Se desarrolla de acuerdo al enfoque del coeficiente del cultivo. La evapotranspiración del cultivo (ETC) se deduce del Los factores meteorológicos y su demanda climática se recoge en la ET0. Kc representa la demanda evapotranspiratoria particular de la vegetación Adaptación de los Kc para el cálculo de la ETc que realiza la FAO, Kc igual a 0.6, identificado para bosques mixtos. 4. HIDROLOGÍA SUPERFICIAL 1 - INFORMACIÓN CARTOGRÁFICA OBTENIDA Y GENERADA - IMÁGENES SATÉLITE ; - MODELO DIGITAL DE ELEVACIONES ; - MAPA DE PENDIENTES, ETC. 2 - DESCRIPCIÓN DE LOS PARÁMETROS MORFOMÉTRICOS DE LA CUENCA - DETERMINACIÓN Y UBICACIÓN DE LA CUENCA; - GEOMETRÍA; 3 - TRANSFORMACIÓN PRECIPITACIÓN – ESCORRENTÍA - INTRODUCCIÓN; - MÉTODO DEL NÚMERO DE CURVA . - PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO . El estudio hidrológico de la cuenca determinará la respuesta de la cuenca ante un suceso de precipitación, determinando el comportamiento de la escorrentía superficial, la abstracción inicial de agua y la infiltración entre otros parámetros y subparámetros del ciclo hidrológico. INFORMACIÓN CARTOGRÁFICA OBTENIDA Y GENERADA IMÁGENES SATÉLITE MDT INFORMACIÓN CARTOGRÁFICA OBTENIDA Y GENERADA MAPA DE PENDIENTES MAPA DE ENTIDADES Y CURSOS DE AGUA INFORMACIÓN CARTOGRÁFICA OBTENIDA Y GENERADA MAPA DE COBERTURA Y USO DE SUELO MAPA DE TIPO DE SUELOS INFORMACIÓN CARTOGRÁFICA OBTENIDA Y GENERADA MAPA DEL NÚMERO DE CURVA ESPACIAL DESCRIPCIÓN DE LOS PARÁMETROS MORFOMÉTRICOS DE LA CUENCA DETERMINACIÓN Y UBICACIÓN DE LA CUENCA El límite de toda cuenca está definido por todos los puntos del terreno que encierran un área desde la cual la escorrentía superficial drena a un mismo desagüe. GEOMETRÍA ÁREA DE DRENAJE Y VOLUMEN DE LA CUENCA MORFOMETRÍA LINEAL Morfometría Lineal de la cuenca Caigua (Km) Parámetros geométricos de la cuenca Caigua Área 2D (km2) Área de Drenaje (km2) Volumen (km3) Lc Lm L Amax Am P 26,3 55,7 12,2 12,81 10,23 12,12 3,48 1,25 31,90 FORMA DE LA CUENCA RELIEVE DE LA CUENCA Parámetros de forma de la cuenca Parámetros de Relieve de la cuenca Fm Ac (Km2) Rc Re Cc Emax (m) Emin (m) Ep (m) Ds (m) Pm (%) Pc (%) 0,10 82,35 0,32 6,79 0,39 1641,00 577,00 1109,00 1064,00 38,00 8,31 TRANSFORMACIÓN PRECIPITACIÓN - ESCORRENTÍA INTRODUCCIÓN La escorrentía como cantidad de agua de una tormenta que escurre sobre la superficie del suelo. Para el conocimiento de los fenómenos de transformación de precipitación en escorrentía, es necesario separar y analizar previamente los componentes que integran un determinado balance hídrico. En el proceso de conversión de lluvia a lluvia eficaz o neta, la cual es la parte de la precipitación que realmente contribuye a la generación de caudales de escorrentía, se dan los siguientes fenómenos: - Precipitación, - Intercepción, - Retención e infiltración, - Transformación del exceso de precipitación en escorrentía - Transporte del hidrograma. Los métodos para estimar la escorrentía a partir de la precipitación descuentan a la lluvia caída las pérdidas por: - Intercepción (Abstracción inicial), - Retención (Abstracción inicial), - Infiltración. TRANSFORMACIÓN PRECIPITACIÓN - ESCORRENTÍA MÉTODO DEL NÚMERO DE CURVA El análisis hidrológico de la cuenca se llevó a cabo por medio de la metodología desarrollada por Soil Conservación Service (SCS) –desde 1994 National Resources Conservation Service (NRCS)-, siendo el procedimiento más generalizado para este tipo de estudios y fácil de adaptar a cualquier región. Método empírico del Número de Curva para el cálculo de la transformación de lluvia escorrentía, el cual surgió de la observación del fenómeno hidrológico en numerosas cuencas, con distintos tipos de suelo y para distintas condiciones de humedad antecedente, con fin de realizar una clasificación de los complejos hidrológicos a los que asignó una capacidad de infiltración. Establece un modelo conceptual de pérdidas de precipitación, cuyo objetivo es calcular la precipitación neta o escorrentía generada por un aguacero en una cuenca de pequeñas dimensiones, a partir de características del suelo, uso del mismo y de su cubierta vegetal. A partir de la representación de la precipitación (P) y precipitación efectiva (Pe) se obtuvo una familia de curvas estandarizadas con un número adimensional de curvas NC, que varía de 1 a 100. El NC 1 indica que toda la lluvia infiltra y NC 100 el escurrimiento es total. Los NC se aplican para diferentes condiciones de humedad antecedente, siendo la condición II una humedad media del suelo. Si en el momento de la precipitación el suelo se encuentra saturado de acuerdo a lluvias precedentes (condición III); si el suelo está seco la infiltración será predominante (condición I). TRANSFORMACIÓN PRECIPITACIÓN - ESCORRENTÍA CONTEXTUALIZACIÓN DEL MÉTODO DEL NÚMERO DE CURVA Dos hipótesis formuladas a partir de un gran número de observaciones en la escorrentía generada en cuencas naturales: - La escorrentía superficial se inicia una vez alcanzado un cierto umbral de escorrentía, P0. - El cociente entre la retención de agua real y la retención máxima es igual al cociente entre la escorrentía directa y la escorrentía superficial máxima: Retención real de agua (Rr): Precipitación caída que no escurre Rr = P – Es – P0 Retención máx. posible (S): Depende del tipo de suelo, humedad inicial antes del aguacero Escorrentía superficial real (ES = Q). Escorrentía superficial máxima (P – P0): Precipitación menos umbral de escorrentía Ecuación uniparamétrica del Número de Curva TRANSFORMACIÓN PRECIPITACIÓN - ESCORRENTÍA PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO Cuencas o terrenos heterogéneos (dif. usos del suelo, tipos de suelo o condiciones hidrológicas) es necesario dividir la cuenca en complejos hidrológicos (superficies con características hidrológicas homogéneas), asignando a cada una de estas superficies (Si) el número hidrológico característico de ella (CNi). El proceso para la obtención matricial del umbral de escorrentía: 1 – Obtención del Complejo Matricial de la cuenca: más de 1500 polígonos determinadas por su NC (coeficiente adimensional tabulado por SCS de los EE.UU para un “antecedente de humedad tipo II (AMC II)” en función del tipo de cobertura, y el tipo de suelo (A, B, C, D). 2 – Corrección en función de la pendiente. NC viene tabulado para pendientes menores del 5%, 3 – Obtención del definitivo NC - Espacial. 4 – Obtención del NC Espacio–Temporal, determinado por las AMC del suelo (días y altura de lluvia previo al aguacero que se simule. TRANSFORMACIÓN PRECIPITACIÓN - ESCORRENTÍA PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO 1 – OBTENCIÓN DEL COMPLEJO MATRICIAL: Cobertura vegetal y uso de suelo Tipo de suelo (A, B, C, D) NC sin corrección de pendiente y AMC II 2 – OBTENCIÓN NC ESPACIAL (Corregido por pendiente): Según Williams, valores de NC corresponden a pendientes de hasta el 5 %, para pendientes superiores: TRANSFORMACIÓN PRECIPITACIÓN - ESCORRENTÍA PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO 3 – DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE CURVA ESPACIO - TEMPORAL NC Espacial corregido por AMC. Por lo tanto el NC es función de la precipitación acumulada en los 5 días previos al aguacero objeto de simulación, distinguiéndose un periodo vegetativo y reposo. La Cuenca queda constituida por una matriz numérica. Eje Y: días de la serie de registros pluviométricos; Eje X: polígonos donde se realiza cada simulación del balance hídrico. Cada polígono se caracteriza por su NC corregido por su antecedente de humedad variable para cada día modelizada de la serie Caigua. La simulación del modelo hidrológico generará otra matriz de Umbral de Escorrentía (P0) 5. MODELO DE BALANCE HÍDRICO PARA LA CUENCA 1 - ENFOQUE DEL MODELO HIDROLÓGICO 2 - ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD - MODIFICACIÓN DE LOS PATRONES DE TEMPERATURA ; - MODIFICACIÓN DE LOS PATRONES DE PRECIPITACIÓN ; 3 - REPRESENTACIÓN DE LOS RESULTADOS - SIMULACIÓN DEL BALANCE HÍDRICO 1980 – 2002 ; - RESPUESTA DEL ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD. 5. MODELO DE BALANCE HÍDRICO PARA LA CUENCA ENFOQUE DEL MODELO HIDROLÓGICO Se ha desarrollado por el autor un modelo de balance hídrico para la Cuenca del río Caigua con programación Matlab. El modelo simula un balance hídrico en cada uno de los más 1500 polígonos en los que se subdivide la Cuenca. Cada polígono se caracteriza por su condición hidrológica equivalente al Número de Curva espacio – temporal, ya explicado El modelo considera sobre cada polígono la precipitación directa caída, la escorrentía superficial generada por el área contributiva del polígono, la abstracción inicial de agua, su infiltración, y la evapotranspiración. El modelo opera en una escala de tiempo diaria aglutinando los resultados en meses y años. Se consideran las siguientes suposiciones para los polígonos de simulación 1. La escorrentía superficial generada por cada polígono es calculada mediante el método del NC del SCS; 2. La ET es estimada en una escala de tiempo mensual mediante la fórmula de PenmanMonteith y factor de cultivo Kc para cubiertas de vegetación de Bosque Mixto y valor de 0,6 3. La infiltración es el resultado directo de la P menos la AI y la escorrentía superficial. 4. • Los fenómenos de acumulación, extracción y evaporación de la lámina de agua en el seno del embalse de la Presa Caigua no fueron modelizados. Para el inicio de la simulación, las entradas de datos requeridas son: Series diarias de precipitación Series de evapotranspiración de referencia Polígonos con el correspondiente Número de Curva, pendiente media y tamaño del área contributiva de éstos generados para la Cuenca del río Caigua ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD MODIFICACIÓN DE LOS PATRONES DE TEMPERATURA 1. Aumento del 1% en la temperatura máx. y mín. media, de modo que se pueda verificar el comportamiento de la ET. 2. Cálculo de la nueva ET0 a través de ET0 Calculator para los incrementos térmicos considerados. 3. Simular el modelo hídrico y obtención de los nuevos valores de ETc. MODIFICACIÓN DE LOS PATRONES DE PRECIPITACIÓN 1. Reducción de magnitud de precipitación en 10, 30 y 50 %, aplicado a cada aguacero diario para evaluar el impacto a escala de tiempo diaria pero con resultados mensuales y anuales. Volúmenes generados por cada parámetro del balance hídrico para los años hidrológicos correspondientes a la probabilidad de ocurrencia 10, 25, 50, 75 y 90 %. 2. Modificación temporal de los patrones de precipitación, pero no en su magnitud. Simular el carácter torrencial característico del cambio climático. Se ha analizado para los meses hidrológicos correspondientes a la probabilidad de ocurrencia 10, 25, 50, 75 y 90 %, acumulando en un solo día las precipitaciones que ocurrían en días continuos REPRESENTACIÓN DE LOS RESULTADOS SIMULACIÓN DEL BALANCE HÍDRICO 1980 – 2002 Volúmenes generados por las entradas (precipitación y evapotranspiración) y las salidas (escorrentía, abstracción inicial e infiltración) del modelo, a nivel anual y mensual. Dichos resultados se representan gráficamente, bien de forma absoluta, esto es, la representación de los volúmenes obtenidos para cada mes y año de cada parámetro; o bien a través de Curvas Percentil – Volumen, donde se representa la magnitud del volumen de cada parámetro respecto a su probabilidad de ocurrencia. Volúmenes generados en metros cúbicos y milímetros de escorrentía, abstracción inicial, infiltración y evapotranspiración para series de precipitaciones anuales y mensuales de probabilidad de ocurrencia del 90, 75, 50, 25 y 10 %. RESPUESTA DEL ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD Se ha estudiado en base a un parámetro S. Determina la susceptibilidad de las salidas – o resultados – respecto a las entradas: Δy/y y Δx/x refleja los cambios relativos del parámetro en consideración al evaluar la magnitud de la salida del parámetro respecto a la entrada. Los resultados obtenidos del análisis de sensibilidad tras la simulación del modelo de balance hídrico son la yuxtaposición de • La variación del volumen resultante de escorrentía, abstracción inicial, e infiltración, para cada una de las probabilidades de ocurrencia (P10, P25, P50, P75, P90), tras modificar la entrada de precipitación. • La variación del volumen de evapotranspiración real mensual resultante respecto al volumen de evapotranspiración una vez modificada la temperatura media máxima y mínima. 6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 1 - RESULTADOS MENSUALES Y ANUALES DEL BALANCE HÍDRICO -BALANCE HÍDRICO PARA SERIES MENSUALES DE PRECIPITACIÓN (1980 – 2002); - BALANCE HÍDRICO MENSUAL PARA PRECIPITACIONES CON PROBABILIDAD DE OCURRENCIA DEL 90 % (PERCENTIL 90) -BALANCE HÍDRICO PARA SERIES ANUALES DE PRECIPITACIÓN (1981 – 2002); - BALANCE HÍDRICO ANUAL PARA PRECIPITACIONES CON PROBABILIDAD DE OCURRENCIA DEL 25 % (PERCENTIL 25) 2 - ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD -SENSIBILIDAD FRENTE AL INCREMENTO TÉRMICO; - SENSIBILIDAD FRENTE AL CAMBIO DE PATRONES DE PRECIPITACIÓN; 1 - RESULTADOS MENSUALES Y ANUALES DEL BALANCE HÍDRICO -BALANCE HÍDRICO PARA SERIES MENSUALES DE PRECIPITACIÓN (1980 – 2002); 1 - RESULTADOS MENSUALES Y ANUALES DEL BALANCE HÍDRICO BALANCE HÍDRICO MENSUAL PARA PRECIPITACIONES CON PROBABILIDAD DE OCURRENCIA DEL 90 % (PERCENTIL 90) 1 - RESULTADOS MENSUALES Y ANUALES DEL BALANCE HÍDRICO -BALANCE HÍDRICO PARA SERIES ANUALES DE PRECIPITACIÓN (1981 – 2002); 1 - RESULTADOS MENSUALES Y ANUALES DEL BALANCE HÍDRICO -BALANCE HÍDRICO ANUAL PARA PRECIPITACIONES CON PROBABILIDAD DE OCURRENCIA DEL 25 % (PERCENTIL 25) 2 - ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD -SENSIBILIDAD FRENTE AL INCREMENTO TÉRMICO; 2 - ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD -SENSIBILIDAD FRENTE AL CAMBIO DE PATRONES DE PRECIPITACIÓN