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Estimation of the hydrological regime in the Basin of the Zapayán Marsh, Magdalena - Colombia

Estimación del régimen hidrológico en la Cuenca de la Ciénaga de Zapayán, Magdalena - Colombia

Leandro José Barros O.1, Jean Rogelio Linero C.2

1eng.leandrobarros@yandex.com, 2linerojean@gmail.com Universidad del Magdalena

Santa Marta, Colombia

Artículo de Investigación Abstract

The Wetlands or marshes are highly productive dynamic ecosystems, with essential elements to regulate the hydrological cycle, socioeconomic activities and maintain the biodiversity that exists in this type of habitat. This article aims to determine the hydrological regime of the Basin of the Zapayán Marsh, delimiting it in seven (7) sub–basins. For this, Geographic Information Systems (GIS) tools were used to determine the basin geometry, the hydrological behavior in the region and to analyze the correlation that exists between time series of precipitation with indexes of macroclimatic variables (SOI, SST, PDO, NAO and Sn) for more than two decades.

Keywords: Hydrological regime, basin, marsh, wetland, swamp, GIS, time series, precipitation, ENSO. Resumen

Las humedales o ciénagas son ecosistemas dinámicos altamente productivos, con elementos esenciales para regular el ciclo hidrológico, las actividades socioeconómicas y mantener la biodiversidad que existe en este tipo de hábitat. Este trabajo tiene como objetivo determinar el régimen hidrológico de la cuenca de la Ciénaga de Zapayán, delimitándolo en siete sub-cuencas. Para esto, se implementaron herramientas de Sistemas de Información Geográfica (SIG) que permiten determinar la geometría de la cuenca, el comportamiento hidrológico en la región y analizar la correlación que existe entre series de temporales de precipitación con índices de variables macro-climáticas (SOI, SST, PDO, NAO y Sn) durante más de dos décadas.

Palabras claves: Régimen hidrológico, cuenca, humedal, ciénaga, SIG, serie de tiempo, precipitación, ENSO.

© 2017.All rights reserved

Actas de Ingeniería Volumen 3, pp. 298-303, 2017

http://fundacioniai.org/actas

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1. Introducción

Los humedales, ciénagas o lagos de planos inundables son ecosistemas acuáticos complejos de zonas bajas en una cuenca, con conexión permanente o temporal con un río [1]. También, es posible que tengan relación con otros cuerpos de agua como lagos, estuarios o mares. Además, Son sistemas dinámicos altamente productivos con elementos esenciales que regulan el ciclo hidrológico, las actividades socioeconómicas y mantienen la biodiversidad que existe en este tipo de hábitat [2].

En regiones tropicales la productividad de estos ecosistemas aumenta, debido a una mayor disponibilidad de radiación solar y abundantes periodos de precipitación que favorecen a la actividad biológica. Por otro lado, la sostenibilidad de las ciénagas depende de las fluctuaciones periódicas en los niveles de la relación Río-Caño-Ciénaga para favorecer el desborde de aguas sobre el plano inundable, dado que este proceso es determinante para las condiciones tróficas y flujos de materia en estos ambientes [3].

En Colombia, las ciénagas comúnmente no superan los 5m de profundidad por lo que son consideradas como lagos someros y presentan un clima cálido al situarse en altitudes entre 0 y 1000msnm [4]. Por ende, estas características hacen que sean ecosistemas vulnerables frente a la variabilidad climática y acciones antrópicas en un tiempo determinado [5–7]

En la actualidad, la tendencia para el control y administración de este tipo de ecosistemas se ha enfocado en el manejo de cuencas hidrográficas y los Sistemas de Información Geográfica (SIG), dado que son excelentes herramientas para el análisis de variables espacio-temporales en función de su entorno. Finalmente, existen varios trabajos que corroboran la utilidad de los SIG e imágenes satélitales en estudios multitemporales hidrológicos [8], meteorológicos [9], aplicaciones ambientales [10], entre otras.

Esta investigación se desarrolla en la Ciénaga de Zapayán (CZ), se encuentra al norte de Colombia y en jurisdicción de los municipios de Zapayán, Pedraza y Concordia. Se tuvo por objeto estimar el régimen hidrológico y analizar correlaciones entre series temporales de precipitación con diferentes variables macroclimáticas durante un periodo de 24 años (desde 1990 a 2014).

La estimación se basa en la metodología del modelo de balance hídrico. Este trabajo muestra la metodología utilizada para llevar a cabo la estimación del régimen hidrológico en una cuenca, presenta el análisis de los resultados y se establecen las conclusiones finales de la investigación.

2. Metodología

La estimación del régimen hidrológico (RH) inicia

con la definición del área de estudio, en este caso se desarrolló para la Cuenca de la Ciénaga de Zapayán (CCZ). Posteriormente, se aplicó el modelo de balance hídrico propuesto por Zapata [11]. La metodología utilizada para estimar el régimen hidrológico se

presenta a continuación: 1) se recopila la información cartográfica y topográfica, 2) se recolecta información de las estaciones meteorológicas cercanas, 3) se efectúa la caracterización hidrológica de la cuenca, 4) se determina la distribución espacial de precipitación, 5) se calcula el caudal de escorrentía y 6) se correlacionan variables macroclimáticas y su influencia en la cuenca.

El área de estudio se da en la Ciénaga de Zapayán (CZ), que se encuentra al norte de Colombia en jurisdicción de los municipios de Zapayán, Pedraza y Concordia. Esta hace parte del complejo cenagoso del Magdalena y está localizada en las coordenadas 10º10’ N;74º35’ W con una altitud media de 12 msnm (Figura 1).

Figura 1. Localización de la Ciénaga de Zapayán

La CZ tiene una extensión aproximada de 1610.09

Km2 que comprende el espejo de agua del humedal y está alimentada por numerosas quebradas; en su mayoría intermitentes, al noreste de la cuenca. También posee canales de interconexión o caños que comunican con la Ciénaga de Doña Francisco y el Río Magdalena.

2.1 Información cartográfica y topográfica

Fue indispensable la recopilación de información

cartográfica y topográfica. Para este caso, se implementó un Modelo Digital de Elevación (DEM por sus siglas en inglés) correspondiente al satélite ALOS-PALSAR (ALOS-1 Phased array type L-Band Syntetic Aperture Radar) de JAXA/METI [12]. Ver Tabla 1, obtenida a partir del geovisor Alaska Satellite Facility - ASF de NASA. Posteriormente, la digitalización cartográfica y procesamiento del DEM se realizó por medio del software SAGA GIS v3.0.0 (System for Automated Geoscientific Analyses), que posee algoritmos especializados para el análisis espacial y pre-procesamiento de las imágenes Raster [13].

Tabla 1. Metadatos de DEM ALOS-PALSAR [12]

Dataset ALOS

Granule ALPSRP213420190

Source AP_21342_FBS_F0180_RT1.dem.Tiff

Path/frame 144/190

Resolución 12.5 x 12.5m

Fecha de adquisición 26/01/2010

2.2 Información de estaciones meteorológicas

Fue necesaria la recopilación de series de tiempo

provenientes de Instituto de Hidrología, Meteorología

300

y Estudios Ambientales - IDEAM. La información obtenida corresponde a 12 estaciones de clase Meteorológica (MET), de tipo Convencional (CON) y Pluviométricas (PM), seleccionas en función de la cercanía a la CCZ. Para ello, se elaboró un buffer de 30km alrededor de la cuenca para seleccionar las estaciones en el margen de influencia. La información

se encuentra registrada en la

.

Tabla 2. Estaciones meteorológicas cercanas a la CCZ

Estación Tipo Clase Cat. Latitud (°N) Longitud (°O) Altitud (MSNM) Registro entre

1 El Guamo CON MET PM 10,03722 -74,97322 75 15/5/1974 31/12/2014

2 Campo de la Cruz CON MET PM 10,37661 -74,88833 4 15/9/1978 31/12/2014

3 San Pedrito Alerta CON MET PM 10,27789 -74,92022 8 15/9/1978 31/12/2014

4 Indugan Hda CON MET PM 9,81444 -74,85222 20 15/4/1974 31/12/2014

5 Monterrubio CON MET PM 10,23369 -74,27325 100 15/1/1963 31/12/2014

6 San Angel CON MET PM 10,03333 -74,21261 140 15/1/1963 31/12/2014

7 Garrapata CON MET PM 10,32156 -74,42397 60 15/11/1984 31/12/2014

8 San Rafael CON MET PM 10,59061 -74,66367 10 15/7/1982 31/12/2014

9 Doña Maria CON MET PM 10,38444 -74,17794 50 15/11/1984 31/12/2014

10 Apure CON MET PM 9,8725 -74,58039 85 15/7/1982 31/12/2014

11 Tiogollo CON MET PM 10,34442 -74,73211 41 15/6/1982 31/12/2014

12 Fundación CON MET PM 10,52436 -74,18222 40 15/3/1958 31/12/2014

2.3 Caracterización hidrológica de la cuenca

Para la caracterización hidrológica de la CCZ se contempló únicamente el intercambio de agua con la atmósfera y se establecieron mapas de contornos a partir de interpolaciones geoestadísticas para cada variable hidrológica. Además, se consideró fraccionar la cuenca principal en 7 sub-cuencas en función de sus principales tributarios. con el fin de obtener un análisis detallado del RH (Figura 2).

2.4 Distribución espacial de la precipitación media

mensual

Se elaboró la distribución espacial de la precipitación media mensual multianual (Pm) para las 7 subcuencas de la CCZ. Posteriormente, se aplicó el método de Isoyetas en cada subcuenca a partir del

método de interpolación Bicubic Spline (B-SPLINE) aplicado por [14] debido a que representa una superficie con el menor error medio cuadrático y es ilustrada en la Figura 3.

Figura 2. Delimitación de sub-cuencas y localización de

estaciones cercanas a la CCZ

301

Figura 3. Distribución espacial de la precipitación media mensual multianual en la Cuenca

2.5 Distribución espacial de la evapotranspiración potencial media mensual

La distribución espacial de la Evapotranspiración Potencial se desarrolló desde una serie de tiempo de temperatura sobre 10m de la superficie. Los datos disponibles a partir del modelo MERRA v5.2 de GEOS-5 DAS y la configuración se presentan en Tabla 3. Posteriormente se determinó la EVP para cada subcuenca por medio del Método Thornthwaite.

Tabla 3. Temperatura (°K) del modelo MERRA [19]

Dataset MERRA Model MATMNXSLV v5.2.0

Variable Temperature at 10 m above displacement height monthly (°K)

Resolución 55.6625 x 74.253775m

Fecha Desde:01-01-1990 Hasta: 31-12-2014

2.6 Calculo de caudal de escorrentía

Debido a que no existen estaciones limnimétrica en los tributarios de la zona, se estimó el Caudal de Escorrentía (Q) por medio de un método indirecto hallando la diferencia entre Pm y EVP en el ciclo medio mensual multianual para la cuenca. Además, los valores se calcularon individualmente para cada sub-cuenca, así como el posible aporte Q de cada tributario en la Ciénaga de Zapayán.

2.7 Influencia de macroclimáticos en la CCZ

Se determinó el grado de asociación entre variables

aleatorias cuantitativa a partir de la Correlación de

Pearson (R) entre las series de tiempo de 12 estaciones meteorológicas de tipo PM con los valores de índices de variables macro-climáticas durante los años 1990 y 2014. Además, los parámetros R de Pearson indican la asociación entre variables y estas son: Si R>0 hay correlación directa, Si R=0 son variables independientes y si R<0 existe una correlación inversa [15]. Finalmente, se analizaron los valores de R con el Coeficiente de Determinación (d) debido a que indica nivel de dispersión entre las variables.

3. Análisis de Resultados

Los resultados obtenidos permiten estimar el

régimen hidrológico de la CCZ a partir de la interacción entre Pm y EVP. Es evidente que, a pesar de las variaciones en el área de las subcuencas (Tabla 4), se observa una distribución similar a Pm, caracterizada como precipitaciones de tipo bimodal con una leve cresta entre los meses de abril-junio y otra bastante pronunciada entre septiembre-noviembre (Figura 4).

Tabla 4. Descripción geométrica de subcuencas de CCZ

Subcuenca Km2 Área relativa (%) QUEBRADA 924.20 57.4 VIJAGUAL 244.13 15.16

PALMA DE VINO 143.17 8.89 MOJAHUEVOS 51.15 3.17 ATRAVEZADO 22.83 1.44 CHARRY 28.72 1.78 CIÉNAGA 195.89 12.16

TOTAL 1610.09 100

302

Figura 4. Ciclo hidrológico medio anual en sub-cuencas de la Cuenca de la Ciénaga de Zapayán

Este tipo de RH es muy similar a los datos registrados por, sin embargo, la cuenca de Zapayán presenta valores de precipitación media mensual multianual y caudales máximos (Q Max) por debajo de los evidenciados en la costa pacífica colombiana. Por otro lado, es evidente la relación proporcional que existe en el ciclo medio mensual multianual entre Pm y Q, donde para los meses con valores altos de precipitación corresponde un caudal significativo en la escorrentía para cada subcuenca. No obstante, se visualiza un desfase temporal en el incremento proporcional de la relación Pm y Q, aunque posiblemente pueda aludir a la deducción descrita por Poveda [16], donde ejemplifica que varios ecosistemas de la región caribe colombiana al tener un clima seco, puede que en las primeras precipitaciones sean adquiridas por los suelos por medio de infiltración y en la medida que se satura surgen flujos de escurrimiento superficial.

En ese sentido, la mayor producción hídrica de la CCZ está en la Subcuenca QUEBRADA, con una capacidad de abastecimiento alrededor de 100mm/mes durante todo el año a excepción de los meses diciembre-febrero debido a la temporada de

estiaje o sequía. Esta subcuenca cuenta con la mayor extensión (924.2 km²) y con las zonas más altas de la cuenca. Este hecho es notorio de acuerdo con lo mencionado por Pourrut [17], donde manifiesta que el régimen hidrológico depende directamente del origen de las aguas altas y la complejidad de la distribución mensual en los caudales a lo largo del año.

Según Cerano-Paredes [18] es relevante determinar la relación que existe entre las variaciones hidrológicas con el fenómeno El niño (ENSO por sus siglas en inglés) para los territorios en el trópico. En la actualidad existen gran cantidad de indicadores que permiten una interpretación del entorno y su relación con distintos fenómenos climáticos. Por tal motivo, se realizó un análisis del comportamiento hidrológico de la cuenca de la ciénaga de Zapayán con algunos índices macroclimáticos. Para ello, se adquirió una serie histórica de los índices SOI, SST (NIÑO 1+2, NIÑO3, NIÑO4 y NIÑO 3.4) NAO y PDO del Servicio Nacional del Clima de los Estados Unidos (NWS por sus siglas en inglés) de NOAA y Ns correspondiente al número de manchas solares SILSO (Sunspot Index and Long-term Solar Observations) registrado por el Observatorio Real de Bélgica (Tabla 5).

Tabla 5. Índices de variables macro-climáticas

Índice Descripción Registro

SOI Índice de Oscilación del Sur. Diferencia estandarizada de presión atmosférica en Tahití y Darwin. 1951-2016

SST NIÑO1+2 Temperatura Promedio de la superficie del mar en las regiones NIÑO1 y NIÑO2. 1951-2016

SST NIÑO 3 Temperatura Promedio de la superficie del mar en la región NIÑO3 1951-2016

SST NIÑO 4 Temperatura Promedio de la superficie del mar en la región NIÑO4. 1951-2016

SST NIÑO 3.4 Temperatura Promedio de la superficie del mar en las regiones NIÑO3 y NIÑO4. 1951-2016

NAO Oscilación del Atlántico Norte. Dipolo de anomalías Norte-Sur con un centro en Groenlandia y otro en el Atlántico entre 35° y 40° N

1951-2016

PDO Oscilación Decenal del Pacifico. Describe la variación y presencia de El Niño de larga duración en el océano pacifico

1951-2016

Sn (SILSO) Numero de Manchas Solares 1749-2016

303

Se aprecia que la mayor parte de las correlaciones realizadas son variables independientes, debido a que los valores de R se aproximan a cero. Aunque se resalta un resultado en particular. Se debe a la correlación inversa que existe entre la serie de

tiempo del SST NIÑO1+2 y la estación EL GUAMO con un valor de R=-0.60. Sin embargo, existe cierta tendencia con las demás estaciones hacia una correlación inversa cuando interactúa con SST NIÑO1+2 (

Tabla 6).

Tabla 6. Correlación de Pearson R de series de tiempo de precipitación e índices de variables macro-climáticas entre 1990-2014

Estación Correl. Soi Niño1+2 Niño 3 Niño 4 Niño 3.4 Nao Pdo Sn

DOÑA MARÍA R 0,06 -0,41 -0,27 0,03 -0,11 0 -0,06 0

d 0,00% 17,00% 7,00% 0,00% 1,00% 0,00% 0,00% 0,01%

TIOGOLLO R 0,03 -0,48 -0,19 0,12 0,01 -0,03 -0,04 0,02

d 0,00% 23,00% 4,00% 1,00% 0,00% 0,12% 0,00% 0,06%

APURE R -0,12 -0,34 -0,07 0,19 0,13 -0,08 0,1 -0,12

d 2,00% 12,00% 0,00% 4,00% 2,00% 0,70% 1,00% 1,48%

SAN PEDRITO ALERTA R 0,06 -0,45 -0,14 0,14 0,07 -0,02 -0,11 -0,11

d 0,00% 21,00% 2,00% 2,00% 0,00% 0,04% 1,00% 1,12%

CAMPO DE LA CRUZ R 0,02 -0,49 0,15 0,15 0,05 0 -0,05 -0,06

d 0,00% 24,00% 2,00% 2,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,46%

INDUGAN HDA R 0,12 -0,42 0,07 0,07 -0,01 0,02 -0,12 -0,06

d 1,00% 18,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,04% 1,00% 0,39%

EL GUAMO R 0,12 -0,6 0,08 0,08 -0,03 -0,04 -0,15 -0,08

d 1,00% 25,00% 1,00% 1,00% 0,00% 0,19% 2,00% 0,75%

FUNDACIÓN R -0,06 -0,4 0,21 0,21 0,1 -0,06 -0,02 -0,13

d 0,00% 16,00% 4,00% 4,00% 1,00% 0,46% 0,00% 1,76%

GARRAPATA R 0,09 -0,49 0,07 0,07 -0,04 -0,02 -0,13 0,03

d 1,00% 24,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,04% 2,00% 0,09%

MONTERRUBIO R 0 -0,38 0,07 0,07 0,04 0,04 0,02 -0,11

d 0,00% 14,00% 1,00% 1,00% 0,00% 0,23% 0,00% 1,40%

SAN ANGEL R 0,12 -0,31 -0,03 -0,03 -0,05 -0,07 -0,17 0,1

d 1,00% 10,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,53% 3,00% 1,07%

SAN RAFAEL R 0,03 -0,5 0,1 0,1 0 -0,09 -0,04 -0,06

d 0,00% 25,00% 1,00% 1,00% 0,00% 0,81% 0,00% 0,48%

Posiblemente lo anterior pueda deberse a una influencia regional entre el sector de las anomalías de SST NIÑO1+2 en el océano pacifico ecuatorial y la costa atlántica colombiana, lugar donde se encuentra la ciénaga de Zapaýan. Se aclara que los valores de SST son un umbral de temperatura (°C) pre-seleccionado para cada región determinada en el Pacífico ecuatorial. La región con influencia es Niño 1+2 y es el sector con menor tamaño de la región de la lengua fría ecuatorial. Sin embargo, puede proporcionar una buena medida acerca de los gradientes SST que dan lugar a cambios en el patrón de convección tropical y circulación atmosférica. Probablemente, puede utilizarse para clasificar los episodios de El Niño o La Niña en Colombia, pero es necesario más investigaciones profundas al caso para prever su viabilidad. Conclusiones

Se determinó que el régimen hidrológico de la Cuenca de la ciénaga de Zapayán presenta una distribución bimodal asimétrica con una leve cresta entre los meses de abril-junio y otra más pronunciada entre los meses de septiembre-noviembre.

La subcuenca QUEBRADA cuenta con la mayor extensión (924.2 km²) y tiene la mayor producción hídrica de la CCZ, con una capacidad de abastecimiento alrededor de 100mm/mes durante todo el año excepto

en los meses diciembre-febrero debido a la temporada de estiaje o sequía.

Se encontró un valor de Pearson de R=-0.6 entre la estación meteorológica EL GUAMO y el índice SST NIÑO 1+2, lo que induce a una correlación inversa entre las series de tiempo durante el periodo 1990-2014. Posiblemente debido a una influencia regional entre el sector de SST NIÑO1+2 en el océano pacifico ecuatorial y la costa atlántica colombiana.

Las medidas de recuperación del estado actual en la Ciénaga de Zapayán deben enfocarse en gran medida en el manejo integrado hídrico de la cuenca, teniendo énfasis en la restauración de sus principales cuerpos de agua tributarios e impedir la obstrucción de los canales de interconexión o caños que a su vez favorecen la disolución de cargas contaminantes orgánicas e inorgánicas que se incorporan al cuerpo de agua.

Finalmente, para favorecer una mejor comprensión del comportamiento del Régimen Hidrológico en la cuenca se debe enfocar estudios relacionados al transporte de sedimentos para cada cuerpo tributario, la tasa de erosión de suelos para cada subcuenca y asociar los aportes provenientes del Río Magdalena.

Agradecimientos

Un especial agradecimiento para los colegas

Gustavo Adolfo Manjarrés García, Jaime Ignacio Vélez

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Upegui, Julio Mario Daza, Jaime Rodríguez Curcio, Fundación FUPARCIS (Fundación para la Participación, Capacitación e Investigación Social) e IDEAM (Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales) por el apoyo, cooperación y asesoramiento en todo el proceso. Referencias [1] Montoya, Y. & Aguirre, N. (2009). Estado del arte de la

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