estudio del balance hÍdrico para la...

ESTUDIO DEL BALANCE HÍDRICO PARA LA CUENCA DEL RÍO CAIGUA,

VILLAMONTES (BOLIVIA)

Ing. Víctor Roldán BecerraEnero de 2011

I. ANTECEDENTES

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).

El agua es un recursos natural fundamental para el ser humano, por lo que esnecesario defenderlo como derecho humano y social de los pueblos.

II. JUSTIFICACIÓN

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

Deficiencias en cuanto a

datos hidrológicos

cuantitativos.

PLANES DE MANEJO INTEGRAL DE CUENCAS

Buenos diagnósticos y valiosa

información biofísica y

socioeconómica

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.

III. OBJETIVOS

Obtención y procesado de

cartografía valiosa para

estos enclaves.

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.

Obtención de datos

hidrometeorológicos,

tratamientos estadísticos y

caracterización de datos.

Estudio y selección de

métodos de transformación

lluvia - escorrentía

Elaboración de un modelo de

balance hídrico - matemático

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.

IV. ESTRUCTURA Y ALACANCE DEL BALANCE HÍDRICO PARA CAIGUA

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.

2. DESCRIPCIÓN DEL CICLO HIDROLÓGICO

Flujo BasePercolación

Profunda

Infiltración

Escorrentía

Sub-superficial

Precipitación total

Abstracción Inicial

Precipitación en

Exceso

Escorrentía

Superficial

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.

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.

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 sub-

superficial el flujo base que alimenta ríos

y manantiales

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.

BALANCE HÍDRICO

ENTRADAS: Precipitación; Importaciones de otra cuenca; Retornos de la demanda

SALIDAS: ETc, Evaporación de cuerpos de agua, Escorrentía superficial y Sub-superficial; 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.

ESTACIÓN

METEOROLÓGICA

Registro

(meses)

Distancia

Presa

(Km)

Precipitación

Media Anual

(mm)

Latitud SudLongitud

Oeste

Altitud

msnm

Datos

Registrados

Departamen

to

Año de

Registro

La Vertiente 132 25 767,6 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 2005-2007

Puerto Margarita 19 38 **** 21º 11' 26" 63º 45' 41" 495 P Tarija 2005-2009

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.

A. SELECCIÓN DE ESTACIONES METEOROLÓGICAS

ESTUDIO CLIMATOLÓGICO

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).

ESTACIÓN

METEOROLÓGICA

Registro

(meses)

Distancia

Presa

(Km)

Precipitación

Media Anual

(mm)

Latitud SudLongitud

Oeste

Altitud

msnm

Datos

Registrados

Departame

nto

Año de

Registro


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


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


ESTACIÓN

METEOROLÓGICA

Registro

(meses)

Distancia

Presa

(Km)

Precipitación

Media Anual

(mm)

Latitud SudLongitud

Oeste

Altitud

msnm

Datos

Registrados

Departam

ento

Año de

Registro




B. ANÁLISIS CLIMÁTICOS


Precipitación total (mm/mes)

Precipitación Máxima diaria

Temperatura Media

Temperatura Media Mínima y Máxima

Temperatura Máxima y Mínima Absoluta

Nº de días de Lluvia Pre

cip

ita

ció

n M

ed

ia A

nu

al

0

200

400

600

800

1000

1200

Estación Meteorológica

Pre

cip

ita

ció

n (

mm

)

ESTACIÓN 873,8 892,1 805,9 1055,5 751,2 895,3 636,7

Villamontes

(AASANA)Sachapera Algarrobillas Yacuiba

Palmar

GrandeItau Aguaraycito

Pre

cip

ita

ció

n M

ed

ia

Me

ns

ua

l

0

50

100

150

200

250

Mes Año Hidrológico

Pre

cip

ita

ció

n (

mm

)

Villamontes (AASANA) 170,5 146,4 136,1 73,4 13,7 3,9 0,6 0 5,7 50,4 104 168,9

Sachapera 159,7 150,6 191,7 63 9,3 3,5 0,1 0,9 7,2 49,8 106,6 149,7

Algarrobillas 159,3 134,5 139,8 69,7 9,4 0,4 0,1 0 1,7 48,3 92,8 150

Yacuiba 189,7 163,5 232,8 84,1 12,5 6,4 1 2,1 2,7 60 112,1 188,7

Palmar Grande 125,6 140,7 124,3 65 7,5 1,2 0 0 5,3 46,8 83,3 103,3

Itau 162,5 139,1 179,4 71 19,9 7,1 1,2 0,4 5 58,1 83,6 157,4

Aguaraycito 106,3 121,5 117,1 48,3 4,8 0,3 0 0 4,3 48,3 53,4 106,3

ENE FEB MAR ABRIL MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC

Te

mp

era

tura

Me

dia

Me

ns

ua

l

14

16

18

20

22

24

26

28

30

Mes Año Hidrológico

Tem

pera

tura

(ºC

)

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 20,3 24,1 24,5 25

ENE FEB MAR ABRIL MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC

y = 0,0002x + 23,091

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

1975

1976

1977

1978

1979

1980

1981

1982

1983

1984

1985

1986

1988

1989

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

Año

Tem

pera

tura

ºC

C. INDICES CLIMÁTICOS


Régimen pluviométrico, de Köppen

Se deduce que pertenece al grupo “Cw”, definido Mesotermal (templado) húmedo, con invierno seco–lluvioso en verano.

Factor pluviométrico de Lang

fp ZONA

0-20 Desierto

20-40 Árida

40-60 Húmeda de estepas y sabanas

60-100 Húmeda de bosques ralos

100-160 Húmeda de bosques densos

>160 Hiperhúmeda de prados y tundras

T

Pf p

= 873,8 / 23,4 = 34.59, por lo quela zona queda clasificada como“Árida”

Índice pluviométrico de Blair

P (mm) CLIMA

0 – 250 Árido

250 – 500 Semiárido

500 – 1000 Subhúmedo

1000 – 2000 Húmedo

> 2000 Muy húmedo

para una precipitación anual de 873,8 mm se obtiene un clima “SUBHUMEDO”.

Índice de aridez, de Martonne

10T

PIM

IM TERRENO VEGETACIÓN

0 – 5 Desierto ---

5 – 10 Semidesierto Estepa, con posibilidad de regadío

10 – 20 Semiárido tipo mediterráneo Transición, escorrentías temporales

20 – 30 Subhúmedo Cultivos de secano y olivares

30 – 60 Húmedo Bosques, cría de ganado vacuno

> 60 Perhúmedo Aguaceros tropicales

IM = 873,8 / (23,4+10) = 26,15. Por tanto,de acuerdo con la clasificación deMartonne, se encuentra en clima“SUBHÚMEDO”.

Índice de temperatura de Thornthwaite

It CLIMA VEGETACIÓN

0 Nieve --

0 – 15 Tundra (frío) Tundra (musgo)

15 – 30 Taiga (frío) Floresta de coníferas

30 – 65 Microtermal Floresta microtermal

65 – 125 Mesotermal Floresta media

> 125 Macrotermal Floresta tropical

TI t 4.5

It = 5,4 x 23,4 = 126,4. Por lo tanto, el clima se clasifica como “MACROTERMAL” y la vegetación predominante como “FLORESTA TROPICAL”.

A. CONTEXTUALIZACIÓN DEL ESTUDIO

ESTUDIO PLUVIOMÉTRICO

Obtención de los datos de precipitación que representarán la entrada requerida al modelo de balance hídricopara 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.

B. SELECCIÓN DE ESTACIONES METEOROLÓGICAS


ESTACIÓN

METEOROLÓGICA

Registro

(meses)

Distancia

Presa

(Km)

Precipitación

Media Anual

(mm)

Latitud

Sud

Longitud

Oeste

Altitud

msnm

Datos

Registrados

Departament

o

Año de

Registro


Caigua 273 5 1080,30 21º 9' 56'' 63º 25' 16'' 485 P Tarija 1980-2002

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 14,4 650,8

1080,3* 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)

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

T

TexF

be 1)(

2)(2

11

)(

x

e 2

xf

GAUSSGUMBEL

D. AJUSTES ESTADÍSTICOS


Año Pp (mm) Año Pp (mm)

1980 - 1992 1.185,6

1981 1.340,5 1993 772,0

1982 1.346,4 1994 933,5

Precipitación 1983 939,0 1995 946,1

1984 1.794,5 1996 1.195,1

1985 1.375,6 1997 1.225,9

1986 1.273,2 1998 1.142,5

1987 1.090,8 1999 955,6

1988 1.096,0 2000 962,4

1989 1.101,5 2001 717,6

1990 863,0 2002 650,81991 859,0

ESTACIÓN PLUVIOMÉTRICA DE CAIGUA

REGISTRO ANUAL DE PRECIPITACIONES 1980 - 2002

AJUSTE DISTRIBUCIÓN ESTADÍSTICA

Periodo de Probabilidad Precipitación mm Precipitación mm Precipitación mm

Retorno (años) % Distrib.GUMBELL Distrib.GAUSS Muestral

1,1 90 720 715 718

1,3 75 848 879 934

2 50 1021 1061 1091

4 25 1240 1243 1226

5 20 1304 1289 1273

10 10 1491 1407 1346

20 5 1671 1506 1376

100 1 2079 1690 1795

Comparativo Distribuciones - Muestra

0

500

1.000

1.500

2.000

90 75 50 25 20 10 5 1Probabilidad %

Pre

cip

ita

ció

n m

en

su

al

(mm

)

Distrib.GUM

BELLDistrib.GAUS

SMuestral

1980 1981 1982 ………….. 2001 2002

ENE 217,1 201,53 ………….. 87,4 37

FEB 340,7 186,9 ………….. 107,3 266,7

MAR 207,1 375,3 ………….. 135,2 147

ABR 29,9 223,4 193,5 ………….. 54 77,3

MAY 11,2 50,4 20,3 ………….. 15,41 37

JUN 0,4 8,5 21 ………….. 2,2 7

JUL 0 2 21,8 ………….. 0 13

AGO 23,8 22,4 7,4 ………….. 0 0SEP 6,5 1 10,3 ………….. 10,5 0OCT 13,7 64,5 10,3 ………….. 77,6 12

NOV 229,4 36 69,4 ………….. 57,5 39,4

DIC 73,1 167,4 228,7 ………….. 170,5 14,4

ESTACIÓN PLUVIOMÉTRICA DE CAIGUA

REGISTRO MENSUAL DE PRECIPITACIONES 1980 - 2002

AJUSTE DISTRIBUCIÓN ESTADÍSTICA

Periodo de Probabilidad Precipitación mm Precipitación mm Precipitación mm

Retorno (años) % Distrib.GUMBELL Distrib.GAUSS Muestral

1,1 90 -12,45 -27,00 6,5

1,3 75 28,06 32,50 17,10

2 50 82,98 98,96 64,00

4 25 152,66 165,36 165,50

5 20 172,78 181,55 187,00

10 10 232,24 225,00 241,20

20 5 289,27 260,90 375,30

50 2 363,09 301,10 375,30

100 1 418,41 328,00 465,10

Comparativo Distribuciones - Muestra

-10

90

190

290

390

490

90 75 50 25 20 10 5 2 1Probabilidad %

Pre

cip

ita

ció

n m

en

su

al

(mm

)

Distrib.GUMBELL

Distrib.GAUSS

Muestral

DETERMINACIÓN DE LA EVAPOTRANSPIRACIÓN DE REFERENCIA (ETo)

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.

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.

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.


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.

A - ECUACIÓN DE FAO PENMAN-MONTEITH

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

HUMEDAD: Derivados de la humedad relativa máxima y mínima (%). Más exacto, cociente presión real de vapor y presión de saturación de vapor

TEMPERATURA: Temperatura diaria promedio máxima y mínima en grados centígrados (°C).

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


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 paralas estaciones de Yacuiba, Tarija y Camiri.

C – PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO


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 paraVillamontes entre los meses de 2002 al 2000 se correlacionan con los mismos años de laserie de Caigua.- Aplicación de la media mensual para los meses que no se relacionen con la serie deregistros. Ej: a la serie temporal de Caigua, desde 1999 a 1980, se le aplica la ET0 mediamensual 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


MAPA DE PENDIENTES MAPA DE ENTIDADES Y CURSOS DE AGUA


MAPA DE COBERTURA Y USO DE SUELO MAPA DE TIPO DE SUELOS


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

Área 2D (km2) Área de Drenaje (km2) Volumen (km3)

26,3 55,7 12,2

Parámetros geométricos de la cuenca Caigua

MORFOMETRÍA LINEAL

Lc Lm L Amax Am P

12,81 10,23 12,12 3,48 1,25 31,90

Morfometría Lineal de la cuenca Caigua (Km)

FORMA DE LA CUENCA RELIEVE DE LA CUENCA

Fm Ac (Km2) Rc Re Cc

0,10 82,35 0,32 6,79 0,39

Parámetros de forma de la cuenca

Emax (m) Emin (m) Ep (m) Ds (m) Pm (%) Pc (%)

1641,00 577,00 1109,00 1064,00 38,00 8,31

Parámetros de Relieve de la cuenca

TRANSFORMACIÓN PRECIPITACIÓN - ESCORRENTÍA

INTRODUCCIÓN

La escorrentía como cantidad de agua de una tormenta que escurre sobre la superficie delsuelo. Para el conocimiento de los fenómenos de transformación de precipitación enescorrentía, es necesario separar y analizar previamente los componentes que integran undeterminado balance hídrico.

En el proceso de conversión de lluvia a lluvia eficaz o neta, la cual es la parte de laprecipitación que realmente contribuye a la generación de caudales de escorrentía, se danlos 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.


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).


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


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).

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.

El proceso para la obtención matricial del umbral de escorrentía:



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:



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

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

ENFOQUE DEL MODELO HIDROLÓGICO

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 Penman-Monteith 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 cadauna de las probabilidades de ocurrencia (P10, P25, P50, P75, P90), tras modificar la entrada deprecipitación.• La variación del volumen de evapotranspiración real mensual resultante respecto al volumen deevapotranspiración 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 DEOCURRENCIA DEL 25 % (PERCENTIL 25)


-SENSIBILIDAD FRENTE AL INCREMENTO TÉRMICO;

- SENSIBILIDAD FRENTE AL CAMBIO DE PATRONES DE PRECIPITACIÓN;


-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 DEOCURRENCIA DEL 25 % (PERCENTIL 25)


-SENSIBILIDAD FRENTE AL INCREMENTO TÉRMICO;


-SENSIBILIDAD FRENTE AL CAMBIO DE PATRONES DE PRECIPITACIÓN

estudio del balance hÍdrico para la...

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