Escenarios Hidrológicos en la cuenca del río Guayllabamba: Modelación de caudales mínimos

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(1)ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL. ESCENARIOS HIDROLÓGICOS EN LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA: MODELACIÓN DE CAUDALES MÍNIMOS.. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL. CHRISTIAN XAVIER ORELLANA LEÓN ([email protected]). DIRECTOR: DR. -ING. LAUREANO ANDRADE CHÁVEZ ([email protected]). Quito, abril 2015.

(2) DECLARACIÓN. Yo, Christian Xavier Orellana León, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. La. Escuela. Politécnica. Nacional,. puede. hacer. uso. de. los. derechos. correspondientes a este trabajo, según lo establecido en la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.. Christian Xavier Orellana León.

(3) III. CERTIFICACIÓN. Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Christian Xavier Orellana León, bajo mi supervisión.. Dr. –Ing. Laureano Andrade Chávez DIRECTO DE PROYECTO.

(4) IV. AGRADECIMIENTOS. Agradezco a mi mejor amigo que siempre ha estado junto a mí y mi familia, Dios, quien es el que me da la fuerza para día a día seguir adelante, guiando mi camino y permitiendo que cada uno de mis sueños se cumplan sin dejar de lado a las personas que más quiero. Gracias a Dios que me lo ha hecho todo posible.. Christian Xavier Orellana León.

(5) V. DEDICATORIA. A mi familia y en especial a: Padre, Florencio; Madre, Violeta; Hermanas, Elizabeth, Ana y Elena; sobrino, Nicolay y sobrina, Camila.. Christian Xavier Orellana León.

(6) VI. CONTENIDO DECLARACIÓN ..................................................................................................... II CERTIFICACIÓN .................................................................................................. III AGRADECIMIENTOS ........................................................................................... IV DEDICATORIA ....................................................................................................... V CONTENIDO ......................................................................................................... VI ÍNDICE DE FIGURAS ........................................................................................... IX ÍNDICE DE GRÁFICOS ........................................................................................ XI ÍNDICE DE TABLAS ........................................................................................... XIII RESUMEN ......................................................................................................... XVII PRESENTACIÓN .............................................................................................. XVIII GLOSARIO........................................................................................................... XX CAPITULO 1: ......................................................................................................... 1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 1 1.1.. OBJETIVOS .............................................................................................. 1. 1.1.1.. GENERAL: ......................................................................................... 1. 1.1.2.. ESPECÍFICOS:................................................................................... 1. 1.2.. JUSTIFICACIÓN ....................................................................................... 2. 1.3.. ALCANCE ................................................................................................. 3. CAPÍTULO 2: ......................................................................................................... 5 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA .................................................................................. 5 2.1.. CONCEPTOS PRINCIPALES ................................................................... 5. 2.2.. PROCESOS ASOCIADOS CON LA OCURRENCIA DE CAUDALES. MÍNIMOS ............................................................................................................ 6 2.2.1. 2.2.1.1.. CLIMA: ................................................................................................ 6 PRECIPITACIÓN. ........................................................................... 6.

(7) VII. 2.2.1.2.. EVAPORACIÓN. ............................................................................. 7. 2.2.1.3.. TEMPERATURA. ............................................................................ 8. 2.2.2.. FACTORES FÍSICO – GEOGRÁFICOS: ............................................ 8. 2.2.3.. INFLUENCIA ANTRÓPICA:................................................................ 9. 2.2.4.. CAMBIO CLIMÁTICO: ...................................................................... 10. 2.3.. MÉTODOS DE ANÁLISIS DE CAUDALES MÍNIMOS ............................ 13. 2.3.1.. MÉTODO MEDIANTE LA CURVA DE DURACIÓN GENERAL........ 14. 2.3.2.. MÉTODO MEDIANTE LA CURVA DE VARIACIÓN ESTACIONAL. 15. 2.3.3.. MÉTODO MEDIANTE ANÁLISIS ESTADÍSTICO DE VALORES. CONSECUTIVOS. ......................................................................................... 17 2.3.4. 2.4.. MÉTODO MEDIANTE CURVAS DE RECESIÓN. ............................ 20. MODELACIÓN DE CAUDALES MÍNIMOS ............................................. 21. CAPITULO 3: ....................................................................................................... 23 ÁREA DE ESTUDIO ............................................................................................. 23 3.1.. DELIMITACIÓN. HIDROGRÁFICA. DE. LA. CUENCA. DEL. RÍO. GUAYLLABAMBA ............................................................................................. 23 3.2.. CARACTERIZACIÓN FÍSICO - GEOGRÁFICA DEL ÁREA DE ESTUDIO. Y DE LAS CUENCAS ....................................................................................... 30 3.3.. ANÁLISIS DEL TIPO DE SUELO ............................................................ 36. 3.3.1.. TAXONOMÍA: ................................................................................... 36. 3.3.2.. TEXTURA: ........................................................................................ 39. 3.4.. ANÁLISIS MULTITEMPORAL DEL USO DEL SUELO ........................... 41. CAPITULO 4: ....................................................................................................... 48 CONFORMACIÓN DE LA BASE DE DATOS ...................................................... 48 4.1.. ESTACIONES HIDROMETEOROLÓGICAS ........................................... 48. 4.2.. INFORMACIÓN CLIMATOLÓGICA ........................................................ 52. 4.3.. INFORMACIÓN HIDROLÓGICA. ............................................................ 59.

(8) VIII. 4.4.. EVENTOS DE ESTIAJE Y CAUDALES MÍNIMOS ................................. 63. CAPITULO 5: ....................................................................................................... 70 CARACTERIZACIÓN DE LOS CAUDALES MÍNIMOS ........................................ 70 5.1.. CURVAS DE DURACIÓN GENERAL ..................................................... 70. 5.2.. RELACIONES DURACIÓN – CAUDAL MÍNIMO – FRECUENCIA ......... 78. 5.3.. ESCENARIOS (EVENTOS) DE CAUDALES MÍNIMOS Y ESTIAJES .... 87. CAPITULO 6: ....................................................................................................... 89 MODELACIÓN DE ESCENARIOS (EVENTOS) DE CAUDALES MÍNIMOS........ 89 6.1.. SELECCIÓN DEL MODELO ................................................................... 89. 6.2.. DESCRIPCIÓN DEL MODELO ............................................................... 91. 6.3.. CALIBRACIÓN DEL MODELO ............................................................. 114. 6.3.1.. CALIBRACIÓN AUTOMÁTICA: ...................................................... 114. 6.3.2.. CALIBRACIÓN MANUAL: .............................................................. 116. 6.4.. ANÁLISIS DE RESULTADOS ............................................................... 122. CAPITULO 7: ..................................................................................................... 127 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ..................................................... 127 7.1.. CONCLUSIONES.................................................................................. 127. 7.2.. RECOMENDACIONES ......................................................................... 133. CAPITULO 8: ..................................................................................................... 135 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................. 135 8.1.. BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................... 135. ANEXOS ............................................................................................................ 141 1. MAPAS. ....................................................................................................... 143 2. INFORMACIÓN METEREOLÓGICA. .......................................................... 144 3. INFORMACIÓN HIDROLÓGICA. ................................................................ 209 4. SALIDAS DEL PROGRAMA. ....................................................................... 220.

(9) IX. ÍNDICE DE FIGURAS FIGURA 2. 1. EJEMPLO DE CURVA DE DURACIÓN GENERAL. ...................... 14 FIGURA 2. 2. EJEMPLO DE CURVA DE VARIACIÓN ESTACIONAL, RÍO ALAMBI EN CHURUPAMBA (1971-2005): .......................................................... 17 FIGURA 3. 1. DENSIDAD DE DRENAJE. ............................................................ 31 FIGURA 3. 2. PENDIENTE MEDIA DEL CAUCE PRINCIPAL. ............................ 33 FIGURA 3. 3. TOPOGRAFÍA DEL ÁREA DE ESTUDIO ESCALA 1:50.000: ....... 34 FIGURA 4. 1. EJEMPLO DE ANÁLISIS DE REGRESIÓN Y CORRELACIÓN: ... 49 FIGURA 4. 2. EJEMPLO DE CURVA DE DOBLE MASA CON SERIE DE DATOS HOMOGÉNEA:..................................................................................................... 50 FIGURA 4. 3. EJEMPLO DE CURVA DE DOBLE MASA CON SERIE DE DATOS NO HOMOGÉNEA: .............................................................................................. 50 FIGURA 4. 4. VARIACIÓN ESTACIONAL DE LA PRECIPITACIÓN MEDIA MENSUAL (MEDIA MULTIANUAL): ..................................................................... 64 FIGURA 4. 5. VARIACIÓN ESTACIONAL DE LA EVAPORACIÓN ACUMULADA MENSUAL MEDIA (MEDIA MULTIANUAL): ........................................................ 65 FIGURA 4. 6. VARIACIÓN ESTACIONAL DE LA TEMPERATURA MEDIA MENSUAL (MEDIA MULTIANUAL): ..................................................................... 66 FIGURA 4. 7. VARIACIÓN ESTACIONAL DEL CAUDAL MEDIO MENSUAL (MEDIA MULTIANUAL): ....................................................................................... 67 FIGURA 5. 1. CURVA DE DURACIÓN GENERAL CAUDALES MEDIOS DIARIOS ESTACIÓN ALAMBI EN CHURUPAMBA (H136): ................................................ 71 FIGURA 5. 2. CURVA DE DURACIÓN GENERAL CAUDALES MEDIOS MENSUALES ESTACIÓN ALAMBI EN CHURUPAMBA (H136):......................... 71 FIGURA 5. 3. CURVA DE DURACIÓN GENERAL CAUDALES MEDIOS DIARIOS ESTACIÓN GRANOBLES AJ GUACHALÁ (H143): ............................................. 72 FIGURA 5. 4. CURVA DE DURACIÓN GENERAL CAUDALES MEDIOS MENSUALES ESTACIÓN GRANOBLES AJ GUACHALÁ (H143): ...................... 72 FIGURA 5. 5. CURVA DE DURACIÓN GENERAL CAUDALES MEDIOS DIARIOS ESTACIÓN GUACHALÁ AJ GRANOBLES (H144): ............................................. 73 FIGURA 5. 6. CURVA DE DURACIÓN GENERAL CAUDALES MEDIOS MENSUALES ESTACIÓN GUACHALÁ AJ GRANOBLES (H144): ...................... 73.

(10) X. FIGURA 5. 7. CURVA DE DURACIÓN GENERAL CAUDALES MEDIOS DIARIOS ESTACIÓN GUAYLLABAMBA AJ CUBI (H145): ................................................. 74 FIGURA 5. 8. CURVA DE DURACIÓN GENERAL CAUDALES MEDIOS MENSUALES ESTACIÓN GUAYLLABAMBA AJ CUBI (H145): .......................... 74 FIGURA 5. 9. CURVA DE DURACIÓN GENERAL CAUDALES MEDIOS DIARIOS ESTACIÓN GUAYLLABAMBA DJ ALAMBI (H146): ............................................. 75 FIGURA 5. 10. CURVA DE DURACIÓN GENERAL CAUDALES MEDIOS MENSUALES ESTACIÓN GUAYLLABAMBA DJ ALAMBI (H146): ...................... 75 FIGURA 5. 11. CURVA DE DURACIÓN GENERAL CAUDALES MEDIOS DIARIOS ESTACIÓN GUAYLLABAMBA EN PUENTE CHACAPATA (H149): .... 76 FIGURA 5. 12. CURVA DE DURACIÓN GENERAL CAUDALES MEDIOS MENSUALES ESTACIÓN GUAYLLABAMBA EN PUENTE CHACAPATA (H149): ............................................................................................................................. 76 FIGURA 5. 13. CURVA DE DURACIÓN GENERAL CAUDALES MEDIOS DIARIOS ESTACIÓN SAN PEDRO EN MACHACHI (H159): .............................. 77 FIGURA 5. 14. CURVA DE DURACIÓN GENERAL CAUDALES MEDIOS MENSUALES ESTACIÓN SAN PEDRO EN MACHACHI (H159): ....................... 77 FIGURA 6. 1. ESQUEMA DEL MODELO DE LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA EN SOFTWARE HEC-HMS 4.0.: ........................................... 91 FIGURA 6. 2. PROCESO DE CÁLCULO EN SOFTWARE HEC-HMS 4.0.: ........ 92 FIGURA 6. 3. DEPÓSITOS DE ALMACENAMIENTO DE AGUA PARA PROCESO DE CÁLCULO EN SOFTWARE HEC-HMS 4.0.:.................................................. 94 FIGURA 6. 4. APLICACIÓN DEL MODELO DEL TIEMPO DE RETARDO: ......... 97 FIGURA 6. 5. EJEMPLO DEL MÉTODO GAGE WEIGHTS – HEC-HMS 4.0.: .. 101.

(11) XI. ÍNDICE DE GRÁFICOS GRÁFICO 2. 1. GASES DE EFECTO INVERNADERO. ...................................... 11 GRÁFICO 2. 2. VARIACIÓN DE TEMPERATURA EN EL ECUADOR. ............... 12 GRÁFICO 2. 3. VARIACIÓN DE PRECIPITACIÓN EN EL ECUADOR. .............. 13 GRÁFICO 3. 1. UNIDADES HIDROGRÁFICAS DEL ECUADOR, NIVEL 1: ........ 24 GRÁFICO 3. 2. UNIDADES HIDROGRÁFICAS DEL ECUADOR, NIVEL 2: ........ 25 GRÁFICO 3. 3. UNIDADES HIDROGRÁFICAS DEL ECUADOR, NIVEL 3: ........ 26 GRÁFICO 3. 4. DELIMITACIÓN HIDROGRÁFICA DEL ÁREA DE ESTUDIO. .... 27 GRÁFICO 3. 5. DIVISIÓN EN UNIDADES HIDROGRÁFICAS DE LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA: ................................................................................ 29 GRÁFICO 3. 6. PENDIENTES DE TERRENO DEL ÁREA DE ESTUDIO: .......... 32 GRÁFICO 3. 7. CLASIFICACIÓN TAXONÓMICA DEL ÁREA DE ESTUDIO: ..... 38 GRÁFICO 3. 8. TEXTURA Y GRUPOS HIDROLÓGICOS DE SUELOS EN LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA: ................................................................ 41 GRÁFICO 3. 9. USO DEL SUELO EN DMQ (AÑO 1986): ................................... 43 GRÁFICO 3. 10. USO DEL SUELO EN DMQ (AÑO 2009): ................................. 44 GRÁFICO 3. 11. USO DE SUELO EN EL ÁREA DE ESTUDIO: ......................... 47 GRÁFICO 4. 1. UBICACIÓN DE ESTACIONES METEOROLÓGICAS: .............. 51 GRÁFICO 4. 2. UBICACIÓN DE ESTACIONES HIDROLÓGICAS: ..................... 52 GRÁFICO 4. 3. MAPA DE ISOTERMAS EN LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA: ............................................................................................... 58 GRÁFICO. 4.. 4.. MAPA. DE. ISOYETAS. EN. LA. CUENCA. DEL. RÍO. GUAYLLABAMBA: ............................................................................................... 59 GRÁFICO 6. 1. CAUDAL SIMULADO VS CAUDAL OBSERVADO ESCENARIO 1: ........................................................................................................................... 117 GRÁFICO 6. 2. CAUDAL SIMULADO VS CAUDAL OBSERVADO ESCENARIO 2: ........................................................................................................................... 118 GRÁFICO 6. 3. CAUDAL SIMULADO VS CAUDAL OBSERVADO ESCENARIO 3: ........................................................................................................................... 118 GRÁFICO 6. 4. CAUDAL SIMULADO VS CAUDAL OBSERVADO ESCENARIO 4: ........................................................................................................................... 120.

(12) XII. GRÁFICO 6. 5. CAUDAL SIMULADO VS CAUDAL OBSERVADO ESCENARIO 5: ........................................................................................................................... 120 GRÁFICO 6. 6. CAUDAL DIARIO OBSERVADO Y CAUDAL SIMULADO – ESCENARIO 1: .................................................................................................. 122 GRÁFICO 6. 7. CAUDAL DIARIO OBSERVADO Y CAUDAL SIMULADO – ESCENARIO 2: .................................................................................................. 122 GRÁFICO 6. 8. CAUDAL DIARIO OBSERVADO Y CAUDAL SIMULADO – ESCENARIO 3: .................................................................................................. 123 GRÁFICO 6. 9. CAUDAL DIARIO OBSERVADO Y CAUDAL SIMULADO – ESCENARIO 4: .................................................................................................. 124 GRÁFICO 6. 10. CAUDAL DIARIO OBSERVADO Y CAUDAL SIMULADO – ESCENARIO 5: .................................................................................................. 124.

(13) XIII. ÍNDICE DE TABLAS TABLA 2. 1. EJEMPLO TABLA DE CURVA DE VARIACIÓN ESTACIONAL: ..... 16 TABLA 2. 2. MATRIZ MENSUAL Xi,j DE VARIABLES CLIMÁTICAS E HIDROLÓGICAS: ................................................................................................. 18 TABLA 2. 3. MATRIZ Zi,k DE VALORES MÁXIMOS/MÍNIMOS CONSECUTIVOS: ............................................................................................................................. 19 TABLA 3. 1. DIVISIÓN EN UNIDADES HIDROGRÁFICAS DE LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA: ........................................................................................ 28 TABLA 3. 2. CARACTERÍSTICAS FÍSICO – GEOGRÁFICAS DEL ÁREA DE ESTUDIO: ............................................................................................................ 35 TABLA 3. 3. DISTRIBUCIÓN TAXONÓMICA DE SUELOS EN LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA: ........................................................................................ 38 TABLA 3. 4. CARACTERÍSTICAS DE LOS GRUPOS HIDROLÓGICOS DE SUELOS: .............................................................................................................. 39 TABLA 3. 5. DISTRIBUCIÓN DE LOS GRUPOS HIDROLÓGICOS DE SUELOS EN LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA:..................................................... 40 TABLA 3. 6. USO DEL SUELO EN DMQ (AÑO 1986): ........................................ 44 TABLA 3. 7. USO DEL SUELO EN DMQ (AÑO 2009): ........................................ 45 TABLA 3. 8. ANÁLISIS MULTITEMPORAL DEL USO DEL SUELO EN DMQ:.... 45 TABLA 3. 9. CAMBIO DEL USO DE SUELO EN DMQ POR PERÍODOS: .......... 46 TABLA 3. 10. DISTRIBUCIÓN DEL USO DE SUELOS EN LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA: ............................................................................................... 46 TABLA 4. 1. CLASIFICACIÓN DE ESTACIONES METEOROLÓGICAS: ............ 53 TABLA 4. 2. INFORMACIÓN CLIMATOLÓGICA DISPONIBLE: .......................... 54 TABLA 4. 3. ESTACIONES METEOROLÓGICAS SEGÚN CLASE: .................... 54 TABLA 4. 4. DISPONIBILIDAD DE INFORMACIÓN CLIMATOLÓGICA PERÍODO 1981 – 2010: ........................................................................................................ 55 TABLA 4. 5. RESUMEN DE DISPONIBILIDAD Y RELLENO DE DATOS CLIMATOLÓGICOS PERÍODO 1981 – 2010: ...................................................... 55 TABLA 4. 6. PRECIPITACIONES CARACTERÍSTICAS MENSUALES EN LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA: ................................................................ 56.

(14) XIV. TABLA 4. 7. EVAPORACIONES CARACTERÍSTICAS MENSUALES EN LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA: ................................................................ 57 TABLA 4. 8. TEMPERATURAS CARACTERÍSTICAS MENSUALES EN LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA: ................................................................ 57 TABLA 4. 9. INFORMACIÓN HIDROLÓGICA DISPONIBLE: .............................. 60 TABLA 4. 10. ESTACIONES HIDROLÓGICAS SEGÚN CLASE: ........................ 60 TABLA 4. 11. DISPONIBILIDAD DE INFORMACIÓN HIDROLÓGICA PERÍODO 1981 – 2010: ........................................................................................................ 61 TABLA 4. 12. RESUMEN DE DISPONIBILIDAD Y RELLENO DE DATOS HIDROLÓGICOS PERÍODO 1981 – 2010: .......................................................... 61 TABLA 4. 13. CAUDAL MEDIO DIARIO CARACTERÍSTICO EN LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA: ........................................................................................ 62 TABLA 4. 14. CAUDAL MEDIO MENSUAL CARACTERÍSTICO EN LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA: ................................................................................ 62 TABLA 4. 15. MESES REPRESENTATIVOS DE PRECIPITACIÓN BAJA, EVAPORACIÓN ALTA Y TEMPERATURA ALTA (MEDIA MULTIANUAL) PERÍODO 1981 – 2010: ....................................................................................... 68 TABLA 4. 16. MESES REPRESENTATIVOS DE CAUDAL BAJO (MEDIA MULTIANUAL) PERÍODO 1981 – 2010: .............................................................. 68 TABLA 5. 1. CAUDALES MÍNIMOS (CDG CAUDALES MEDIOS DIARIOS) DE DETERMINADAS. FRECUENCIAS. PARA. LA. CUENCA. DEL. RÍO. GUAYLLABAMBA: ............................................................................................... 78 TABLA 5. 2. CAUDALES MÍNIMOS (CDG CAUDALES MEDIOS MENSUALES) DE. DETERMINADAS. FRECUENCIAS. PARA. LA. CUENCA. DEL. RÍO. GUAYLLABAMBA: ............................................................................................... 78 TABLA. 5.. 3.. CAUDALES. MÍNIMOS. DE. DETERMINADOS. DÍAS. CONSECUTIVOS, ESTACIÓN ALAMBI EN CHURUPAMBA – H136: ................ 80 TABLA. 5.. 4.. CAUDALES. MÍNIMOS. DE. DETERMINADOS. DÍAS. CONSECUTIVOS, ESTACIÓN GRANOBLES AJ GUACHALÁ – H143: .............. 81 TABLA. 5.. 5.. CAUDALES. MÍNIMOS. DE. DETERMINADOS. DÍAS. CONSECUTIVOS, ESTACIÓN GUACHALÁ AJ GRANOBLES – H144: .............. 82 TABLA. 5.. 6.. CAUDALES. MÍNIMOS. DE. DETERMINADOS. DÍAS. CONSECUTIVOS, ESTACIÓN GUAYLLABAMBA AJ CUBI – H145: .................. 83.

(15) XV. TABLA. 5.. 7.. CAUDALES. MÍNIMOS. DE. DETERMINADOS. DÍAS. CONSECUTIVOS, ESTACIÓN GUAYLLABAMBA DJ ALAMBI – H146: ............. 84 TABLA. 5.. 8.. CAUDALES. MÍNIMOS. DE. DETERMINADOS. DÍAS. CONSECUTIVOS, ESTACIÓN GUAYLLABAMBA EN PTE. CHACAPATA – H149: ............................................................................................................................. 85 TABLA. 5.. 9.. CAUDALES. MÍNIMOS. DE. DETERMINADOS. DÍAS. CONSECUTIVOS, ESTACIÓN SAN PEDRO EN MACHACHI – H159: ............... 86 TABLA 6. 1. VALORES DE INTERCEPCIÓN DE AGUA POR PARTE DE LA VEGETACIÓN: ..................................................................................................... 98 TABLA 6. 2. VALORES DE INTERCEPCIÓN DE AGUA POR PARTE DE LA VEGETACIÓN SEGÚN EL USO DEL SUELO EN LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA: ............................................................................................... 98 TABLA 6. 3. PORCENTAJE INICIAL DE ALMACENAMIENTO DE AGUA EN LA SUPERFICIE SEGÚN GRUPO HIDROLÓGICO DE SUELO:.............................. 99 TABLA 6. 4. CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO DE AGUA SEGÚN EL GRUPO HIDROLÓGICO DE SUELO: ................................................................ 104 TABLA 6. 5. ALMACENAMIENTO SUPERFICIAL DE AGUA EN EL TIEMPO SEGÚN LA PENDIENTE MEDIA DE LA CUENCA: ........................................... 104 TABLA 6. 6. TASA DE INFILTRACIÓN SUPERFICIAL: .................................... 105 TABLA 6. 7. TASA DE INFILTRACIÓN SUPERFICIAL ADOPTADAS SEGÚN EL GRUPO HIDROLÓGICO DE SUELO: ................................................................ 105 TABLA 6. 8. PORCENTAJE DE ÁREA IMPERMEABLE SEGÚN EL USO DEL SUELO: .............................................................................................................. 106 TABLA 6. 9. PORCENTAJE DE ÁREA IMPERMEABLE ADOPTADO SEGÚN EL USO DEL SUELO EN LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA: ..................... 107 TABLA 6. 10. VALORES DE PARÁMETROS SOLICITADOS POR SOFTWARE HEC-HMS 4.0. DE LA CUENCA DEL RÍO GUAYLLABAMBA: .......................... 108 TABLA 6. 11. PESOS DE ESTACIONES PARA CADA UNIDAD HIDROGRÁFICA – EVENTO 1:...................................................................................................... 109 TABLA 6. 12. PESOS DE ESTACIONES PARA CADA UNIDAD HIDROGRÁFICA – EVENTO 2:...................................................................................................... 109 TABLA 6. 13. PESOS DE ESTACIONES PARA CADA UNIDAD HIDROGRÁFICA – EVENTO 3:...................................................................................................... 110.

(16) XVI. TABLA 6. 14. PESOS DE ESTACIONES PARA CADA UNIDAD HIDROGRÁFICA – EVENTO 4:...................................................................................................... 110 TABLA 6. 15. PESOS DE ESTACIONES PARA CADA UNIDAD HIDROGRÁFICA – EVENTO 5:...................................................................................................... 111 TABLA 6. 16. EVAPORACIONES PROMEDIO MENSUALES EN CADA UNIDAD HIDROGRÁFICA – EVENTOS 1: ....................................................................... 111 TABLA 6. 17. EVAPORACIONES PROMEDIO MENSUALES EN CADA UNIDAD HIDROGRÁFICA – EVENTOS 2: ....................................................................... 112 TABLA 6. 18. EVAPORACIONES PROMEDIO MENSUALES EN CADA UNIDAD HIDROGRÁFICA – EVENTOS 3: ....................................................................... 112 TABLA 6. 19. EVAPORACIONES PROMEDIO MENSUALES EN CADA UNIDAD HIDROGRÁFICA – EVENTOS 4: ....................................................................... 113 TABLA 6. 20. EVAPORACIONES PROMEDIO MENSUALES EN CADA UNIDAD HIDROGRÁFICA – EVENTOS 5: ....................................................................... 113 TABLA 6. 21. CAUDAL BASE MENSUAL EN CADA UNIDAD HIDROGRÁFICA: ........................................................................................................................... 114.

(17) XVII. RESUMEN. El estudio de caudales mínimos es de gran importancia en relación con la gestión del agua. El presente estudio corresponde a la cuenca hidrográfica del río Guayllabamba hasta antes de la junta con el río Blanco. Se ha generado series de valores mínimos de precipitación y de caudal, incluyendo valores máximos de temperatura y evaporación en base a registros históricos del período 1981-2010, disponibles en entidades públicas de 23 estaciones meteorológicas y 07 estaciones hidrológicas. Se ha dividido a la cuenca del río Guayllabamba en unidades hidrográficas nivel 5 según el método del Ing. Otto Pfafstetter. Se analizan las características físico – geográficas de las unidades hidrográficas mediante el uso de información topográfica en escala 1:50.000 y 1:250.000. Se hace el estudio de taxonomía, textura y uso multitemporal del suelo en base a información obtenida del MAGAP en escala 1:250.000. Con la información meteorológica recopilada, del período de los años 1981-2010, se analiza la tendencia de la precipitación, temperatura y evaporación media mensual, respecto al tiempo, para el área de estudio; de igual manera se resumen los valores representativos de las variables meteorológicas anteriormente descritas y finalmente se presenta mapas de isoyetas e isotermas. Con el uso de la información hidrológica, del período de los años 1981-2010, se evalúa la duración general de los caudales medios diarios y medios mensuales, mediante curvas de duración general y se determinan los caudales mínimos según el rango de probabilidad de excedencia. También se analiza la tendencia de los caudales mensuales del área de estudio, a través del tiempo, mostrando un resumen de los valores representativos de caudal medio diario y caudal medio mensual.. Se establecen cinco eventos y cinco escenarios de caudales mínimos. Se realiza la modelación de los caudales mínimos de la cuenca del río Guayllabamba en el software HEC-HMS 4.0, obteniendo resultados de caudales mínimos modelados, diferentes a los medidos por las estaciones hidrométricas..

(18) XVIII. PRESENTACIÓN. El presente proyecto está distribuido por capítulos y en total son ocho. El contenido de cada capítulo es el siguiente: CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN.- Se presentan los objetivos, justificación y alcance del proyecto. CAPÍTULO 2: REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA.- Se analiza la importancia del estudio de caudales mínimos; los factores que intervienen en los procesos de disminución de caudales promedio tales como el clima, factores físico – geográficos, influencia antrópica y el cambio climático; las metodologías usadas comúnmente para la determinación de caudales bajos y finalmente se describe la posibilidad de realizar modelación de caudales mínimos mediante el uso de software. CAPÍTULO 3: ÁREA DE ESTUDIO.- Se realiza la correspondiente delimitación de la cuenca del río Guayllabamba hasta antes de la junta con el río Blanco. Se delimita y divide en unidades hidrográficas según la metodología del Ing. Otto Pfafstetter. Se presentan las características físico – geográficas de cada unidad hidrográfica nivel 5 de la metodología Pfafstetter, además se muestra información relacionada al suelo tales como taxonomía, textura, grupo hidrológico y uso multitemporal. CAPÍTULO 4: CONFORMACIÓN DE LA BASE DE DATOS.- Se recopila información de estaciones meteorológicas e hidrológicas dentro del área de estudio, para luego ser clasificadas de acuerdo a la cantidad de información registrada (con la finalidad de optimizar el relleno y validación de series de datos), ya sea según clase A (Base, mayor a 20 años), clase B (Apoyo, entre 10 y 20 años) o clase C (Referencia, menor a 10 años de registro). Después de realizado el relleno y validación de las series de datos, se muestran valores representativos de precipitación, evaporación, temperatura y caudales medios para el período 1981 – 2010. Los valores de precipitación y temperatura, se exponen en mapas temáticos: isoyetas e isotermas. Adicionalmente, se analiza la variación estacional.

(19) XIX. de la precipitación, evaporación, temperatura y del caudal (según la media multianual), para la estimación de temporadas de caudales mínimos y de estiajes. CAPÍTULO 5: CARACTERIZACIÓN DE LOS CAUDALES MÍNIMOS.- Se grafican las curvas de duración general de cada estación hidrológica, tanto para caudales medios diarios y medios mensuales. Después del trazo de las CDG, se obtiene valores de caudales mínimos con probabilidades de excedencia del 80%, 85%, 90% y 95%, así como valores de caudales bajos para duración de 5, 10, 15, 30, 60 y 90 días consecutivos. Se establecen cinco eventos del período 1981 – 2010 que producen caudales mínimos, los que serán modelados en el software HEC-HMS en sus respectivos escenarios. CAPÍTULO 6: MODELACIÓN DE ESCENARIOS (EVENTOS) DE CAUDALES MÍNIMOS.- Se selecciona el modelo que represente de la mejor manera a la cuenca del río Guayllabamba, tomando en cuenta las unidades hidrográficas determinadas por la metodología Pfafstetter. También, se describen los métodos usados y valores de los parámetros necesarios para el software HEC-HMS 4.0. Se realiza la modelación de los correspondientes escenarios, así como la respectiva calibración, presentando los caudales mínimos resultantes. CAPÍTULO 7: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.- Se indican las conclusiones a las que se ha llegado durante la elaboración del vigente estudio; además se presentan las correspondientes recomendaciones. CAPÍTULO 8: BIBLIOGRAFÍA.- Se muestran las referencias bibliográficas en base a las que se ha desarrollado el presente proyecto..

(20) XX. GLOSARIO Temperatura: (WMO, 2008a), define como una magnitud física que caracteriza el movimiento aleatorio de las moléculas en un cuerpo físico. Precipitación: (WMO, 2012), define al término como: “Elementos líquidos o sólidos procedentes de la condensación o sublimación del vapor de agua que cae de las nubes o son depositados desde el aire en el suelo”. Evaporación: Proceso por el cual el agua pasa de líquido a vapor a temperatura menor al punto de ebullición. Transpiración: Proceso por el cual el agua de la vegetación pasa a la atmósfera en forma de vapor. Evapotranspiración: (WMO, 2012), define al término como: “Conjunto de procesos por los que se efectúan la transferencia de agua de la superficie terrestre a la atmósfera por evaporación y de la vegetación por transpiración”. Escorrentía: parte del agua de precipitación evacuada superficialmente o en la subsuperficie. Infiltración: (WMO, 2012), define al término como: “Flujo de agua que penetra en un medio poroso a través de la superficie del suelo”. Percolación: capacidad de movimiento de agua a través de materiales porosos. Sección de control: La (WMO, 2012), define al término como: “Sección de un curso de agua en la que el caudal solo depende del nivel del agua inmediatamente aguas arriba de la misma, para un determinado rango de caudales”. Caudal: Volumen de agua por unidad de tiempo que pasa a través de una determinada sección de control. Caudal mínimo: (WMO, 2012), define al término como: “flujo de agua en una corriente durante un período seco prolongado”..

(21) XXI. Época de estiaje: período determinado más seco del año, relacionado al verano, donde los caudales se mantienen mínimos y constantes. Caudal de estiaje: (WMO, 2012), define al término como: “Caudal de un río en época de estiaje que es alimentado exclusivamente por aguas subterráneas”. Cuenca: Área limitada por la línea de cumbres y que tiene una salida única para su escorrentía superficial. Superficie libre: (WMO, 2012), define al término como: “Superficie superior de una capa de fluido en la que la presión es igual a la presión atmosférica externa”. Área hidráulica: área de la sección transversal de flujo. Perímetro mojado: (WMO, 2012), define al término como: “Longitud del perímetro de contacto entre un curso de agua en movimiento y su cauce, medido en una sección transversal”. Radio Hidráulico: es la relación entre el área hidráulica y perímetro mojado en una determinada sección transversal. Sección transversal del rio: sección perpendicular a la dirección del flujo delimitada por la superficie libre y el perímetro mojado. Área de flujo: área de la sección transversal de río por donde atraviesa determinado caudal. Período de retorno: (WMO, 2012), define al término como: “Intervalo de tiempo medio a largo plazo transcurrido entre un fenómeno hidrológico y otro de igual o mayor magnitud”. Pendiente natural del rio: diferencia de altura del lecho del rio por unidad de distancia horizontal en la dirección del flujo. Probabilidad de ocurrencia: probabilidad de que suceda un evento en un período de tiempo determinado. Probabilidad de crecida: (WMO, 2012), define al término como: “Probabilidad de que un determinado caudal sea igualado o superado en un período de tiempo”..

(22) XXII. Estación Hidrometeorológica: es la instalación de un aparato destinado a medir y registrar datos meteorológicos en una determinada zona tales como la temperatura, presión atmosférica, precipitación, humedad del ambiente, horas de luz solar, radiación, velocidad y dirección del viento además se puede medir el nivel agua en ríos y quebradas. Lisímetro: llamado también evapotranspirómetro, es un envase enterrado y cubierto por una muestra de suelo local; permite el estudio de infiltración, escorrentía y evapotranspiración. Tiempo de Concentración (tc): es el tiempo que le toma en llegar a la gota de lluvia que cae en el punto más alejado de la cuenca, hasta la sección de salida de dicha cuenca. Es el tiempo que se necesita para que toda la cuenca contribuya con escorrentía superficial en una sección considerada. Tiempo de Retardo (tlag): es el tiempo transcurrido entre el centro de masas de la precipitación efectiva y el pico del hidrograma de escurrimiento directo. Variación. estacional. de. caudales:. es. la. representación. gráfica. del. comportamiento estacional (períodos de déficit y excesos) de caudales que define la distribución de los mismos respecto al tiempo.. Elaboración: Christian Orellana L..

(23) CAPITULO 1: INTRODUCCIÓN. El estudio del presente proyecto de Escenarios Hidrológicos en la Cuenca del río Guayllabamba: Modelación de caudales mínimos, permite identificar eventos de caudales mínimos y analizar su comportamiento tomando en cuenta el cambio en el uso del suelo, para determinar períodos de estiaje. Conocer el comportamiento hidrológico de la cuenca del rio Guayllabamba permite establecer áreas susceptibles a caudales mínimos y de estiaje, períodos de ocurrencia de dichos eventos.. 1.1. OBJETIVOS 1.1.1. GENERAL: Identificar escenarios de caudales mínimos en la cuenca del río Guayllabamba y modelar su comportamiento. 1.1.2. ESPECÍFICOS: ·. Generar la base de datos físico – geográfica con información sobre el tipo de suelo y su uso;. ·. Identificar la red hidrometeorológica existente;. ·. Generar la base de datos hidrometeorológica asociada a los eventos de caudales mínimos y estiajes, y validación de la información;. ·. Definir los escenarios zonales de caudales mínimos;. ·. Analizar el comportamiento de las lluvias estacionales;. ·. Evaluar el cambio en el uso del suelo y su incidencia en los caudales mínimos; y,. ·. Modelar. los. caudales. mínimos a. través. características físico – geográficas y climáticas.. de. relaciones con. las.

(24) 2. 1.2. JUSTIFICACIÓN El análisis y modelación de los estiajes son de importancia en la cuenca del río Guayllabamba, como fenómeno natural fuertemente influenciado por las actividades socio – económicas, resultado de la intensa actividad antrópica. El desarrollo de obras hidráulicas que están operando y las que entrarán en funcionamiento en los próximos años, exige el conocimiento detallado de los procesos relacionados con la formación de los estiajes, así también de su variabilidad espacial y temporal. La modelación matemática de caudales mínimos mediante el uso de software de simulación continua de caudales HEC-HMS, permitirá analizar posibles eventos de niveles mínimos de calado y ocurrencia de estiajes que puedan afectar a la oferta de recurso hídrico a las poblaciones beneficiadas, obteniendo resultados fiables y a su vez económicamente bajos respecto a la realización de un modelo a escala de la cuenca del rio Guayllabamba. El presente estudio permite la predicción de temporadas de estiaje para el correspondiente estudio de planificación de la conservación de la cuenca del rio Guayllabamba optimizando y garantizando tanto en cantidad como en calidad el recurso hídrico demandado. Al garantizar la cantidad y calidad del recurso hídrico en la cuenca del rio Guayllabamba, se obtiene ganancia económica porque las infraestructuras existentes funcionarán de manera eficiente durante más tiempo en el futuro, independientemente del estado de conservación de las mismas, evitando su inutilización y la construcción de nuevos proyectos por la falta de estudio correspondiente a las variaciones naturales y antrópicas en la zona. Se obtendrá información acerca del cambio del uso de suelo en las últimas décadas que ha sufrido la zona de la cuenca del rio Guayllabamba, y se analiza su incidencia en los caudales mínimos..

(25) 3. 1.3. ALCANCE El Distrito Metropolitano de Quito, con un crecimiento poblacional y el desarrollo de urbanización acelerado, ha incrementado la demanda de infraestructura (vivienda, servicios básicos de agua potable y alcantarillado, industria entre otros), la cual para ser cubierta en las últimas décadas se han generado cambios del uso de suelo (agrícola, forestales, pastizales y urbano). El estudio se refiere a la cuenca del río Guayllabamba con área de drenaje de 8239 km2, hasta antes de la junta con el río Blanco, en donde se asienta gran parte del Distrito Metropolitano de Quito con una población de 2,5 millones de habitantes, que ejerce enorme presión sobre las áreas de drenaje. La cuenca del rio Guayllabamba, posee actualmente infraestructura y posibles proyectos futuros en los cauces que conforman la cuenca antes mencionada, los que son medio importante e indispensable de abastecimiento tanto de agua potable, agua para riego e hidroelectricidad para la capital del Ecuador y sus alrededores. En el transcurso del tiempo debido a factores naturales o de tipo antrópico como el cambio climático y variaciones en el uso del suelo, afectan a la precipitación y evapotranspiración en la cuenca y por ende disminuye la escorrentía superficial, que a su vez decrementa los caudales, produciéndose temporadas de estiaje aún desconocidas; por tal razón, la cuenca del rio Guayllabamba debe ser analizada y modelada considerando aspectos tanto hidrológicos, meteorológicos e hidráulicos para el correspondiente estudio de preservación de dicha cuenca. Por lo tanto, se tomará en cuenta el cambio en el uso del suelo de la cuenca, el régimen estacional de lluvias y su incidencia sobre los estiajes será analizado. El presente proyecto se limita a la cuenca del rio Guayllabamba y tendrá el siguiente contenido general. ·. Delimitación del área de influencia, que es la cuenca del rio Guayllabamba.. ·. Recopilación de datos hidrometereológicos existentes de la zona.. ·. Determinación Guayllabamba.. de. características. físicas. de. la. cuenca. del. rio.

(26) 4. ·. Determinación de características climáticas de la cuenca del rio Guayllabamba. ·. Procesamiento de información base.. ·. Conformación del modelo.. ·. Ingreso de información base en programa de modelación HEC-HMS 4.0.. ·. Obtención de resultados arrojados por el software HEC-HMS 4.0.. ·. Análisis de resultados procesados.. ·. Recomendaciones y conclusiones del proyecto.. En base a los registros hidrometeorológicos disponibles se identificarán eventos críticos de estiajes o caudales mínimos anuales, y que tengan influencia zonal. El análisis y procesamiento estadístico de la información meteorológica e hidrológica..

(27) 5. CAPÍTULO 2: REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 2.1. CONCEPTOS PRINCIPALES El estudio de caudales mínimos o de estiaje se asocia generalmente con el diseño de. proyectos de. aprovechamiento. de. agua. potable,. riego,. generación. hidroeléctrica, navegación, recreación, manejo y preservación de cuencas, protección de ecosistemas acuáticos (ANDRADE, L. y RIOS L., 2014). (JARAMILLO, M., et al., 2004), en el documento “Estimación de caudales mínimos usando un modelo distribuido de tanques”, describe que la estimación de los caudales mínimos es crucial para el manejo de calidad y planificación del suministro del agua. La magnitud, frecuencia y duración de ellos están definidas, en última instancia, por la dinámica del agua subterránea y su interacción con las corrientes superficiales durante períodos secos prolongados. El caudal que se presenta en un río, se debe a un conjunto de procesos naturales que actúan en la cuenca de drenaje tales como la escorrentía superficial y subsuperficial, la infiltración, evaporación, transpiración y la recarga de acuíferos. En particular, la presencia de caudales mínimos en cuencas hidrográficas se debe a temporadas de precipitación mínima o inexistente, períodos secos; en éstas épocas el caudal presente en los cursos principales de agua se debe comunmente a la infiltración desde acuíferos de la zona. Se pueden considerar aspectos fundamentales tales como la distribución y características de infiltración de los suelos; las condiciones hidráulicas y extensión de los acuíferos; la tasa, frecuencia y cantidad de la recarga; las tasas de evapotranspiración en la cuenca; la distribución y los tipos de vegetación; la interceptación; la topografía y el clima entre otros (SMAKHTIN, 2001). Desde un punto de vista asociado a la satisfacción de necesidades básicas, a nivel nacional se esperan cambios dramáticos en los suministros de agua, colocando a los ecosistemas vinculados y a las poblaciones, que padecen.

(28) 6. económica y ambientalmente, en mayor riesgo de escasez de suministro. De igual manera, este peligro se acentúa en grandes centros urbanos como Quito, a la que ríos pertenecientes a cuencas de origen glaciar proveen de más de 2/3 del agua potable que consume, lo que demuestra que las circunstancias cambiantes pueden afectar inclusive los costos de abastecimiento y, en última instancia, su capacidad de desarrollo (MINISTERIO DEL AMBIENTE, 2013a).. 2.2. PROCESOS. ASOCIADOS. CON. LA. OCURRENCIA. DE. CAUDALES MÍNIMOS Los factores que contribuyen a la disminución de caudales promedio en las cuencas hidrográficas y por consiguiente a la aparición de caudales mínimos y caudales de estiaje, son tanto de tipo natural y de tipo antrópico. Se presentan los siguientes: 2.2.1. CLIMA: El clima es un conjunto de condiciones meteorológicas que se determinan en un lugar para períodos de tiempo extensos. En la publicación realizada por (WMO, 2009), se describe que en zonas donde el clima es frío, pueden ocurrir la presencia de caudales mínimos, debido a la larga duración del invierno, donde en este período se presentan precipitaciones de tipo sólido, lo que hace disminuir los caudales hasta la aparición de la temporada de primavera. De la misma manera, (WMO, 2009), relaciona la aparición de caudales mínimos en presencia de temporadas de verano, en las que puede existir evaporación significativa y poca precipitación. Las variables climáticas que inciden directamente son la precipitación, evaporación y temperatura. 2.2.1.1.. PRECIPITACIÓN.. La precipitación cae en forma líquida, sea esta lluvia, llovizna, rocío; o en forma sólida, como la nieve, granizo y la escarcha. El conocimiento de la distribución de.

(29) 7. la precipitación en tiempo y el espacio es valioso para el análisis de corrientes bajas (WMO, 2008b). El estudio de las precipitaciones es muy importante en cualquier estudio hidrológico regional, para cuantificar los recursos hídricos, puesto que constituyen la principal y en general la única entrada de agua a una cuenca, y a su vez es uno de los factores de mayor trascendencia en la recarga de acuíferos (son los que contribuyen a la presencia de caudales en los cursos principales en períodos secos). Según (VLADIMIROV, 1990), la escorrentía de los ríos en el período de aguas bajas, que es producto principalmente de la disminución o ausencia de precipitación, toma el nombre de caudales mínimos o de estiaje y al período durante el cual se presentan estos caudales, se denomina estiaje o estío. Los factores climáticos asociados a la precipitación son su duración y la precipitación antecedente. Estos dos factores inciden en la humedad del suelo en la cuenca de drenaje, ya que existe mayor probabilidad de ocurrencia de escorrentía superficial cuando la duración de lluvia es mayor, y más aún cuando las precipitaciones son persistentes en el tiempo, el suelo se encontrará saturado y dará lugar a mayores tasas de escorrentía superficial (RÍOS, 2010). 2.2.1.2.. EVAPORACIÓN.. Los datos sobre la evaporación, o transpiración (si la vegetación está presente), son importantes en el análisis de caudales mínimos, porque estos describen la cantidad de agua que se pierde (es decir, devuelto a la atmósfera) desde aguas a cielo abierto, suelo o plantas, gran parte de lo cual contribuye a la recarga de acuíferos o al caudal del río (WMO, 2008b). Los embalses presentan grandes superficies expuestas a evaporación y son, por ello, un factor importante de pérdida de agua, aunque posiblemente reducen la evaporación natural, ya que confinan en embalses profundos las masas de agua, que de otro modo se ocuparían grandes extensiones (OMM, 2011). Toda superficie expuesta a la precipitación, es fuente de contribución para la evaporación, por ejemplo la intercepción de la lluvia por las plantas, la cual.

(30) 8. después de ser recogida por la cubierta vegetal, se evapora. Como lo afirma (OMM, 2011), las perdidas por intercepción representan entre un 10% y un 20% de la precipitación caída durante la temporada de crecimiento y en bosques muy densos, puede representar hasta un 25% de la precipitación total. 2.2.1.3.. TEMPERATURA.. La temperatura está caracterizada por el comportamiento por el que dos cuerpos tienden a una temperatura igual. Por lo tanto, la temperatura representa el estado termodinámico de un cuerpo, y su valor se determina por la dirección del flujo neto de calor entre dos cuerpos (WMO, 2008a). Generalmente se generan bajos caudales debido a las altas temperaturas, largas horas de radiación solar y los vientos que son los que producen incremento en la evaporación y transpiración; en caso contrario, en elevadas altitudes, existen temperaturas de congelación, que son las que no permiten el deshielo de los glaciares. En el trabajo expuesto por (MORÁN, 2003), afirma que la temperatura es un factor importante del ciclo hidrológico pues interviene en todas sus etapas. Desde el punto de vista práctico, la temperatura interviene como parámetro en las fórmulas para calcular la evaporación; la temperatura disminuye en promedio 0.6oC por cada 100m de ascenso. 2.2.2. FACTORES FÍSICO – GEOGRÁFICOS: Los factores físicos tales como la topografía, tipos de suelo, vegetación existente en la zona, área de drenaje, forma de la cuenca, densidad de drenaje; y los factores geográficos altitud, latitud, pendiente media de la cuenca, pendiente ponderada del cauce principal son características terrestres naturales inmutables o con variaciones insignificantes durante el tiempo. El almacenamiento y la descarga en una cuenca, dependen de los anteriores factores. (WMO, 2008b), afirma que los factores físicos geográficos tienen un considerable efecto en el estudio de caudales mínimos en ríos y corrientes de la cuenca. Las características más influyentes generalmente se relacionan con la topografía de una cuenca (por ejemplo, área de la cuenca, forma, orientación, altitud, pendiente, y así sucesivamente), morfología de las corrientes, la cobertura del suelo,.

(31) 9. pedología (origen y formación de los suelos) y la geología (analiza la estructura interna de la tierra). Ésta última, describe profundidad de las capas, fallas, plegamientos; los cuales podrán ser usados para producir mapas hidrogeológicos que proporcionan una valiosa información sobre la presencia de acuíferos y sus propiedades hidráulicas. La ocupación del suelo tiene una influencia importante en los caudales mínimos, particularmente su efecto sobre la intercepción, infiltración y la evaporación. Datos de la humedad del suelo, son de interés en el análisis de caudales mínimos debido a su fuerte influencia en la evapotranspiración y la cantidad de agua que se filtra a acuíferos subterráneos o contribuye directamente a la escorrentía superficial (WMO, 2008b); en caso de ser suelos permeables, favorecen a la recarga de acuíferos que son los que alimentan a los cursos de agua en épocas de estiaje. Normalmente se suele considerar que lo suelos forestales tienen una mayor permeabilidad que los suelos de pastos y que por lo tanto favorecen la infiltración y la recarga de los acuíferos. Las observaciones a distintas escalas muestran sin embargo que el efecto de la cubierta sobre el balance de agua es más importante que la calidad del suelo, de modo que los suelos bajo cubierta forestal suelen estar más secos que bajo cubierta herbácea (GALLART, F., et al., 2002); (GREEN, JC., et al., 2006), disminuyendo apreciablemente la recarga de los acuíferos (LADEKARL, 1998) (HATTON, T., George, R., 2000) (CALDER, I., et al., 2003). La escorrentía superficial es el fenómeno más importante desde el punto de vista de ingeniería, y consiste en la ocurrencia y el transporte de agua en la superficie terrestre (MONSALVE, 1995). 2.2.3. INFLUENCIA ANTRÓPICA: La influencia antrópica en la cuenca, está en función de los usos y derivaciones de agua, y también por el cambio en el uso del suelo (ANDRADE, L. y RIOS L., 2014). (WMO, 2009), hace referencia a una variedad de intervenciones antrópicas que pueden ocurrir dentro de una cuenca como por ejemplo, la regulación aguas.

(32) 10. arriba, las transferencias entre cuencas, los flujos de retorno de sistemas de agua residuales domésticas que utilizan agua subterránea como una fuente de agua y los cambios en el uso de suelo tales como la deforestación, la reforestación y la urbanización. En el mismo estudio sobre prácticas hidrológicas, también se da a conocer que la influencia antropogénica puede alterar en gran medida el régimen natural de flujos bajos. Por ejemplo, el aumento de extracción de agua superficial para riego, puede ocurrir durante períodos de ausencia prolongada de lluvias. La extracción significativa de las aguas subterráneas para usos agrícolas, industriales y humanos puede reducir los niveles de la capa freática, obteniendo reducción en los flujos de corriente. La ampliación de la frontera agrícola que también ha alterado los páramos andinos, lo que ha traído como consecuencia la disminución de los caudales en los ríos de páramo y reservas ecológicas. Todo este fenómeno de degradación, también se ve presente en las cuencas que abastecen de agua al Distrito Metropolitano de Quito (PUENTE, N., et al., 2008). Si usted corta el bosque, los vientos no soplarán desde el océano y no le traerán la lluvia (GORSHKOV, V. y MAKARIEVA, A., 2014). 2.2.4. CAMBIO CLIMÁTICO: La variabilidad climática que se produce debido a las emisiones naturales (erupciones volcánicas, procesos biológicos) y antrópicas (actividades humanas como la quema de combustibles fósiles) principalmente de CO 2 y, otros compuestos contaminantes a la atmosfera, ha generado cambios en parámetros como nubosidad, radiación solar, temperatura y precipitación debido al incremento en la concentración de dichos gases. Los gases de efecto invernadero (Gráfico 2.1.), retienen los rayos de calor sin dejar que la radiación solar regrese a la atmósfera. Este efecto aumenta la temperatura en la superficie terrestre la cual afecta tanto en déficit de humedad del suelo y el incremento de evaporación. El aumento de temperatura junto con precipitaciones bajas, generan escurrimiento superficial mínimo o casi nulo, dado que el agua precipitada sirve para saturar el sistema subterráneo (recarga de acuíferos), favoreciendo como consecuencia a la disminución del nivel de agua en los ríos..

(33) 11. GRÁFICO 2. 1. GASES DE EFECTO INVERNADERO.. Fuente:. http://www.ecologismo.com/cambio-climatico/gases-del-efecto-invernadero/,. 2014. Elaboración: Ecologismo.. CFC o CIFC: son clorofluorocarburos, son derivados de los hidrocarburos y que se los emplea para aplicaciones tales como en la industria de refrigeración y fabricación de aerosoles. Estudios realizados acerca del cambio climático (VUILLE, M., et al., 2008), determinan que las condiciones climáticas medias en Los Andes tropicales sufrieron cambios considerables durante el siglo XX; la temperatura aumentó en alrededor de 0.7 °C entre 1939 y 2006. El (MINISTERIO DEL AMBIENTE, 2013b), señala en informes realizados sobre el cambio climático, que en las últimas décadas el Ecuador ha sufrido un aumento en la temperatura a nivel nacional, como se muestra en el gráfico 2.2.; y, por otra parte, en gráfico 2.3. se visualiza la variación de la precipitación en el Ecuador..

(34) 12. GRÁFICO 2. 2. VARIACIÓN DE TEMPERATURA EN EL ECUADOR.. Fuente: http://www.ambiente.gob.ec/, 2013b. Elaboración: Ministerio del Ambiente..

(35) 13. GRÁFICO 2. 3. VARIACIÓN DE PRECIPITACIÓN EN EL ECUADOR.. Fuente: http://www.ambiente.gob.ec/, 2013b. Elaboración: Ministerio del Ambiente.. 2.3. MÉTODOS DE ANÁLISIS DE CAUDALES MÍNIMOS El caudal mínimo es un fenómeno estacional, y un componente integral de un régimen de caudales de cualquier río; por otro lado, la sequía es un evento resultante de una menor precipitación que la normal durante un período prolongado de tiempo (SMAKHTIN, 2001). La época de estiaje se la define como un período determinado más seco del año, relacionado al verano, donde los caudales se mantienen mínimos y constantes. En esta época es cuando se presenta el caudal de estiaje, que a diferencia del caudal mínimo, las corrientes de agua son alimentadas exclusivamente por aguas subterráneas..

(36) 14. El introducir los anteriores conceptos en el presente estudio, se fundamenta debido a que la sequía y sus procesos (caudales mínimos) afectan a las actividades humanas que dependen del agua de los cauces para generar energía hidroeléctrica, abastecimiento de agua, riego, entre otros. La falta de agua se traduce en impactos negativos socio-económicos (RÍOS, 2010). Existen diversas técnicas para determinar los caudales mínimos, los que dependerán de los datos disponibles y del tipo de información de salida que se requiera, a continuación se describen varios métodos. 2.3.1. MÉTODO MEDIANTE LA CURVA DE DURACIÓN GENERAL.. Curva de duración general: es la representación gráfica, la cual indica el porcentaje de tiempo que se ha igualado o excedido un determinado caudal medio, ya sea mediante caudales diarios, mensuales, anuales, etc. FIGURA 2. 1. EJEMPLO DE CURVA DE DURACIÓN GENERAL.. Fuente: Incidencia de la variabilidad climática en los caudales mínimos del Ecuador, 2010. Elaboración: (RÍOS, 2010)..

(37) 15. A través de la duración general o permanencia de caudales se determinan los gastos correspondientes al rango de probabilidades de excedencia entre 50% y 90%, tomando en cuenta la práctica hidrológica nacional (ANDRADE, L. y RIOS L., 2014), que considera tomar como caudales limitantes del uso del recurso hídrico (caudales mínimos) a los valores correspondientes a las frecuencias 80% (para riego), 90% o 95% (para abastecimiento humano) de que estos valores sean igualados o excedidos, tomando como base la serie de caudales medios diarios o mensuales (ANDRADE, 1992). Según (RÍOS, 2010), en el desarrollo del proyecto de titulación sobre la incidencia de la variabilidad climática en los caudales mínimos del Ecuador, considera que al determinar los caudales mínimos en base a la curva de duración general, se presentan inconvenientes tales como: ·. Se consideran solo datos históricos y la distribución de probabilidades empírica no asocia una distribución teórica que permita incluir el riesgo de que se presenten caudales menores o mayores a los observados.. ·. La curva de duración general no considera los períodos específicos de ocurrencia o su estacionalidad.. ·. Los caudales dados al 90 o 95%, no están directamente relacionados a los caudales mínimos consecutivos de 15, 30, 60 días u otro período.. 2.3.2. MÉTODO MEDIANTE LA CURVA DE VARIACIÓN ESTACIONAL.. Curva de variación estacional: es la representación gráfica del comportamiento estacional (períodos de déficit y excesos) de caudales medios mensuales que permite definir la distribución de los caudales respecto al tiempo en función de la probabilidad de que dichos valores sean igualados o superados. La curva de variación estacional se construye con la ayuda de la siguiente tabla, ordenando mensualmente los valores de caudales de mayor a menor, asignándoles un número de orden m para todos los años del período n de análisis y se calcula la probabilidad de ocurrencia P según la fórmula de Hazen:. ࡼൌ. ૛࢓െ૚ ૛࢔. ‫ כ‬૚૙૙. (Ec. 2.1).

(38) 16. En donde: P= probabilidad de ocurrencia acumulada en porcentaje; m= número de orden del valor; y, n= número de valores. TABLA 2. 1. EJEMPLO TABLA DE CURVA DE VARIACIÓN ESTACIONAL:. m 1 2 3 . . . n. E Q1 Q2 Q3 . . . Qn. F Q1 Q2 Q3 . . . Qn. M Q1 Q2 Q3 . . . Qn. MESES . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. D Q1 Q2 Q3 . . . Qn. P (% ) P1 P2 P3 . . . Pn. Elaboración: Christian Orellana L.. Un aspecto importante en este análisis es la adopción del tipo de distribución de probabilidades, a partir del coeficiente de asimetría (Cs) de la serie de caudales medios mensuales, bajo los siguientes criterios (VALDIVIESO, 2011): ·. Si el coeficiente de asimetría Cs está en el rango entre -0,5 y 0,5, entonces se adopta la distribución normal de probabilidades;. ·. Si el Cs es cercano a 1,14, entonces se asume la distribución de valores extremos tipo 1 (Gumbel); y,. ·. En otros casos se trabaja con la serie modificada a través de logaritmos naturales, es decir: Yi= ln (Qmed); Al final el valor QTr se determina a partir de la relación: QTr= exp(YTr)..

(39) 17. FIGURA 2. 2. EJEMPLO DE CURVA DE VARIACIÓN ESTACIONAL, RÍO ALAMBI EN CHURUPAMBA (1971-2005):. Fuente: Incidencia del Cambio en el Uso del Suelo en los Caudales; Casos de Estudio: Cuencas de los Ríos Alambi, Intag y Quijos, 2011. Elaboración: Pablo Valdivieso R.. 2.3.3. MÉTODO. MEDIANTE. ANÁLISIS. ESTADÍSTICO. DE. VALORES. CONSECUTIVOS. Según (RÍOS, 2010), en el proyecto “Incidencia de la variabilidad climática en los caudales mínimos del Ecuador”, considera que dada la serie mensual de caudales, se determinan los valores mínimos anuales por el promedio de 1, 2, 3, 4, 5 y 6 meses consecutivos tal como se describe a continuación: Las variables utilizadas en el análisis estadístico - probabilístico para evaluar los períodos secos mediante el análisis de valores consecutivos mensuales son temperatura, precipitación y caudal. Las series hidrometeorológicas iniciales están dispuestas de acuerdo a la siguiente matriz:.

(40) 18. TABLA 2. 2. MATRIZ MENSUAL Xi,j DE VARIABLES CLIMÁTICAS E HIDROLÓGICAS:. Fuente: Incidencia de la variabilidad climática en los caudales mínimos del Ecuador, 2010. Elaboración: Luis Enrique Ríos Cando.. Se muestra a continuación el algoritmo de obtención de valores de precipitación mínima para el año i=1. La matriz resultante del proceso está conformada por elementos Zi,k; donde i es el año al que corresponde el registro y k es el número de meses consecutivos en análisis (1-6 meses). Valor mínimo de 1 mes consecutivo: Z1,1 = mín (X1,1, X1,2, X1,3, …, X1,12). (Ec. 2.2). Valor mínimo de 2 meses consecutivos: Z1,2 = mín (X1,1+X1,2, X1,2+X1,3, X1,3+X1,4, X1,4+X1,5, …, X1,11+X1,12). (Ec. 2.3). Valor mínimo de 3 meses consecutivos: Z1,3 = mín (X1,1+X1,2+X1,3, X1,2+X1,3+X1,4, X1,3+X1,4+X1,5, …, X1,10+X1,11+X1,12) (Ec. 2.4) Valor mínimo de 4 meses consecutivos: Z1,4 = mín (X1,1+X1,2+X1,3+X1,4, X1,2+X1,3+X1,4+X1,5, X1,3+X1,4+X1,5+X1,6, …, X1,9+X1,10+X1,11+X1,12). (Ec. 2.5). Valor mínimo de 5 meses consecutivos: Z1,5 = mín (X1,1+X1,2+X1,3+X1,4+X1,5, X1,2+X1,3+X1,4+X1,5+X1,6, …, X1,8+X1,9+X1,10+X1,11+X1,12). (Ec. 2.6).

(41) 19. Valor mínimo de 6 meses consecutivos: Z1,6 = mín (X1,1+X1,2+X1,3+X1,4+X1,5+X1,6, X1,2+X1,3+X1,4+X1,5+X1,6+X1,7, …, X1,7+X1,8+X1,9+X1,10+X1,11+X1,12). (Ec. 2.7). En donde: i= año de registro; j= mes de registro; y, Xi,j= registro meteorológico perteneciente al año i, mes j. En la determinación de los valores mínimos de caudales mensuales consecutivos, se emplean los promedios aritméticos dados por las mismas series; así por ejemplo para tres meses consecutivos se tiene: ‫܈‬ΌǟΎ ൌ ‫ܕ‬À‫ܖ‬ሺ. ‫܆‬ΌǟΌ ൅ ‫܆‬Όǟ΍ ൅ ‫܆‬ΌǟΎ ‫܆‬Όǟ΍ ൅ ‫܆‬ΌǟΎ ൅ ‫܆‬ΌǟΏ ‫܆‬ΌǟΌ΋ ൅ ‫܆‬ΌǟΌΌ ൅ ‫܆‬ΌǟΌ΍ ǡ ǡ ǥǡ ሻ ૜ ૜ ૜. (Ec. 2.8). En tanto que para la determinación de los valores máximos consecutivos de temperatura, no se aplica la suma de los valores mensuales sino las medias aritméticas como se muestra a continuación (para 3 meses consecutivos): ‫܈‬ΌǟΎ ൌ ‫ܠܕ‬ሺ. ‫܆‬ΌǟΌ ൅ ‫܆‬Όǟ΍ ൅ ‫܆‬ΌǟΎ ‫܆‬Όǟ΍ ൅ ‫܆‬ΌǟΎ ൅ ‫܆‬ΌǟΏ ‫܆‬ΌǟΌ΋ ൅ ‫܆‬ΌǟΌΌ ൅ ‫܆‬ΌǟΌ΍ ǡ ǡ ǥǡ ሻ ૜ ૜ ૜. (Ec. 2.9). Se obtiene como resultado la siguiente matriz para las diversas variables: TABLA 2. 3. MATRIZ Zi,k DE VALORES MÁXIMOS/MÍNIMOS CONSECUTIVOS:.

(42) 20. Fuente: Incidencia de la variabilidad climática en los caudales mínimos del Ecuador, 2010. Elaboración: Luis Enrique Ríos Cando.. Con la aplicación de este análisis se permite que: ·. La serie de caudales mínimos consecutivos se puede ajustar una distribución teórica de probabilidad; y,. ·. Se incluyan los períodos de ocurrencia y la estacionalidad.. 2.3.4. MÉTODO MEDIANTE CURVAS DE RECESIÓN. Representa la relación entre magnitud y frecuencia de las descargas de un río usando variables climáticas y geológicas; refleja la disminución de caudales a causa del descenso de la cantidad de agua de acuíferos presentes en una cuenca durante períodos secos. La forma de la curva de descenso en función del tiempo, tiende a ser propia para cada cuenca dependiendo de la cobertura vegetal, del tipo y la profundidad del suelo y de las características hidrogeológicas de su acuífero. Tradicionalmente se ha interpretado que tal forma es independiente de las lluvias anteriores al período seco. Desde el punto de vista práctico, se ha encontrado que la curva puede ser representada matemáticamente por una ecuación del tipo (POVEDA, G., et al., 2002): q(t)= qo e(-kt) En donde: q(t)= caudal en un tiempo t; t= período sin lluvia después de un caudal inicial qo; qo= caudal al comienzo del período; k= constante característica de la cuenca en unidades 1/T; y, e= base logarítmica (e= 2.7182).. (Ec. 2.10).

(43) 21. Puede interpretarse que 1/k representa el tiempo medio de residencia de una partícula de agua que ingresa al acuífero de la cuenca. (POVEDA, G., et al., 2002), en su trabajo sobre la estimación de caudales mínimos, describe que utilizando la metodología de la curva de recesión es posible encontrar el caudal mínimo de una cuenca para diferentes períodos de retorno. Para ello es necesario determinar primeramente el k de la cuenca, el qo y el t para el período de retorno determinado. Desde el punto de vista más general, qo y t son variables aleatorias, ya que k tiene que ver con las características del suelo y del acuífero. Además menciona que existen diferentes formas de determinar k para una cuenca con registros de precipitación y caudal. Una de ellas es explorando directamente el registro diario de caudales a la salida de la cuenca y otra utilizando modelos hidrológicos que representen la dinámica de los caudales según el régimen de precipitación.. 2.4. MODELACIÓN DE CAUDALES MÍNIMOS Modelación: ya sea matemática (uso de software) o física (prototipo), es un método de obtención de resultados cercanos a la realidad mediante la introducción de varios factores que afectan a un modelo en específico. La respuesta natural de una cuenca a un impulso de entrada (precipitación), es siempre continua; es decir, varía permanentemente en el tiempo. En la modelación de cuencas, en la simulación de las relaciones precipitación escorrentía por razones prácticas existen dos métodos de modelación: por eventos y continua (FATTORELLI, S. y FERNANDEZ, P., 2011): ·. En la modelación por eventos (discretos) se consideran la simulación de eventos aislados, por ejemplo, el período de tiempo de una determinada creciente. Fundamentalmente, son modelos que simulan el humedecimiento del suelo por efecto de la lluvia, pero no el balance de agua en el perfil del suelo,. ni. el. proceso. de. secado. por. infiltración,. percolación. y. evapotranspiración. Por esto, no pueden simular el flujo base en períodos.