Introducción
El agua dulce es vital parala vida humana y el bienestar económico de las naciones, y como tal se debe reconocer su importancia para mantener diversos ecosistemas y conservar los múltiples servicios ambien-tales que presta a la sociedad (Baron et al., 2003). Las actuaciones humanas sobre las cuencas (hidráulicas, agrícolas, industriales, etcétera) producen alteraciones en los ecosistemas fluviales, con serias consecuencias en los componentes físicos y biológicos. La mayoría de los ríos en el mundo han sido modificados en su estructura, forma, composición y funcionamiento, lo que ha provocado graves alteraciones ecológicas y ambientales, como contaminación, disminución excesiva de caudales, y pérdida de servicios ambientales y recreativos, entre otros.
Hay un consenso cada vez mayor en los círculos nacionales e internacionales interesados en mantener los recursos hídricos en afirmar que el agua dulce es un recurso renovable, pero finito y vulnerable, y que requiere, para su desarrollo y manejo, de un planteamiento integrado de participación en todos los niveles; que posee valor económico en todos sus usos y, por lo tanto, debe ser reconocido como bien económico (GWP, 2005).
Por esa razón, las decisiones relacionadas con la asignación del agua deberían incluir previsiones para mantener la integridad de los ecosistemas de agua dulce, ya que no son simplemente cuerpos aislados, pues están muy influenciados por los usos humanos del suelo y agua. Se debe reconceptualizar el término ‘río’ como el de aquel conducto que transporta agua, a modo de canal o tubería; el río no termina en el borde del cauce
Evaluación de los métodos hidrológicos
para la determinación de caudales ambientales
en el río Tuluá, Colombia
Lina Mabel Castro-Heredia Yesid Carvajal-Escobar
Universidad del Valle, Colombia
La mayoría de los ríos en el mundo han sido modificados en su estructura, forma, composición y funcionamiento, lo que ha provocado graves alteraciones ecológicas y ambientales, como contaminación, disminución excesiva de caudales, y pérdida de los servicios ambientales y recreativos, entre otras. Es por esto que para reducir los impactos generados por las actividades humanas en las cuencas, se están desarrollando nuevas políticas en el mundo para el uso sostenible y responsable del recurso hídrico, entre las cuales se tienen el desarrollo y la aplicación de técnicas de estimación de caudales ambientales (QA) o de regímenes de caudal ambiental (RQA). En el presente trabajo se explican algunos de los métodos hidrológicos usados para determinar el QA y el RQA, y se muestra la aplicación de los mismos en el río Tuluá (Valle del Cauca, Colombia), y su posterior modelación con HEC-RAS, para simular los caudales propuestos y observar sus variaciones con respecto a los niveles. El resultado de la aplicación demostró que la mayoría de los métodos hidrológicos proponen caudales constantes en el tiempo para sitios y especies acuáticas específicas, pero algunos otros calculan un RQA variable a lo largo del año y que con algunas modificaciones pueden ser aplicables a ríos colombianos.
Palabras clave: régimen de caudal ambiental, variabilidad interanual, simulación hidráulica,
y el caudal que transporta está fuertemente influenciado por la morfología de la cuenca, las condiciones climáticas y las actividades humanas que se desarrollan alrededor de ésta.
Los ecosistemas acuáticos requieren que los sedimentos, la temperatura, la luz, la entrada de sustancias químicas y nutrientes, y las poblaciones de plantas y animales varíen dentro de rangos naturales, sin experimentar excesivas oscilaciones más allá de los rangos históricos, ni ser mantenidos en niveles constantes. Si estos requerimientos naturales no se proveen, se tendrá como consecuencia la pérdida de especies, y de los servicios que proveen los ecosistemas en humedales, ríos y lagos. Los llamados caudales ambientales, ecológicos, de mantenimiento, etcétera, contribuyen de manera decisiva a mantener la salud de los ríos, al desarrollo económico y a aliviar la pobreza, porque garantizan la disponibilidad constante de muchos de los beneficios que aportan a la sociedad. A largo plazo, los ecosistemas intactos tienen posibilidad de conservar la capacidad adaptativa para mantener la producción de bienes y servicios de cara a las alteraciones futuras, tales como el cambio climático (Baron et al., 2003).
Esa creciente demanda social por un manejo sostenible de los recursos hídricos ha impulsado en el mundo el desarrollo de metodologías para definir un caudal ecológico, de mantenimiento, de compensación, básico, mínimo aconsejable, ambiental y régimen de caudal ambiental, entre otros. Conceptos que pretenden definir cuál es el caudal o régimen de caudal que hay que mantener aguas abajo de un aprovechamiento hidráulico o derivación, que sea adecuado en cantidad, calidad y regularidad, y que permita sustentar la salud de los ríos, de los ecosistemas acuáticos asociados y conservar a largo plazo los servicios ambientales prestados por ellos. Es así como se viene trabajando continuamente para establecer o tener una mayor proximidad de cuáles son esos caudales, definiéndolos a partir de componentes tales como la hidráulica, la hidrología, la biología, etcétera.
Los métodos para la determinación de caudales ambientales pueden variar desde enfoques de escritorio basados en la información hidrológica existente hasta aquellos que incluyen una recopilación de información intensa y sofisticada con el uso de software especia-lizado. Ese sinfín de métodos encontrados para determinar el caudal ambiental es la prueba más inequívoca de que ninguno de ellos es capaz de aportar unos resultados garantizados de forma absoluta y universal (Palau, 2003). En la actualidad, pueden considerarse cuatro enfoques, a partir de los cuales se
perfilan todos los métodos existentes para el cálculo de los caudales ambientales: el hidrológico, de valoración hidráulica, hidrobiológico y el holístico, cada uno de ellos descrito por varios autores (Castro y Carvajal, 2006a; Díez, 2000; Tharme, 2003; Pyrce, 2004; King et al., 1999; Arthington y Zalucki, 1998, entre otros).
En el presente artículo se hace referencia a la aplicación de los métodos hidrológicos en la cuenca media del río Tuluá, dejando claro que es una primera aproximación a la determinación del QA. Después de la aplicación se muestra la evaluación de las metodologías a partir de la simulación hidráulica en HEC-RAS en el tramo de estudio (32 secciones transversales), con las cuales se determinó la variación en caudal y nivel, y se verificaron las condiciones mínimas de profundidad que condicionan la habitabilidad de las especies piscícolas; al final se exponen algunas conclusiones y recomendaciones.
Materiales y métodos
Enfoque hidrológico
Se basa en la premisa de que el caudal es uno de los factores de mayor importancia del ecosistema fluvial, pues determina otras variables del medio sobre las que influye (Baeza et al., 2003). Las condiciones biológicas son consecuencia de varios factores abióticos (caudal, velocidad, estructura del canal, calidad del agua y temperatura), resultado a su vez de las condiciones hidrológicas y ecológicas de la cuenca (Eisele et al., 2004). La variación hidrológica define la estructura de la diversidad biótica dentro de los ecosistemas ribereños, y las comunidades fluviales han evolucionado sometidas a esta variación (inter e intranual), por lo tanto sus ciclos biológicos y requerimientos ecológicos están asociados con estas oscilaciones (Richter et al., 1996; Baeza y García de Jalón, 2002).
de los seres humanos que viven en la cuenca. Algunos métodos propios del enfoque se muestran en forma resumida en el cuadro 1, pero pueden ser consultados de forma extensa en Castro (2006), Castro y Carvajal (2006a), Díez (2000), King et al. (1999) y Tharme (2003), entre otros.
Descripción de la zona de estudio
La cuenca está ubicada en el centro del Departamento del Valle del Cauca, Colombia (ilustración 1), tiene una extensión de 91 485 ha, con alturas que van desde los 900 msnm en el Valle Geográfico del río Cauca, hasta los 4 100 msnm, en el Parque Natural Páramo de las Hermosas en la Cordillera Central. El 85.1% del área
corresponde a la zona de ladera y el 14.9% al valle geográfico del río Cauca o zona plana. La estación limnigráfica “Mateguadua” se encuentra a una altitud de 1 084 msnm y registra un caudal promedio multianual de 14.2 m3/s. Para la aplicación de las metodologías hidrológicas se utilizó una serie de caudal medio diario para un periodo de registro de 21 años (1975-1995). El agua derivada del río Tuluá se emplea para satisfacer la demanda del acueducto del municipio de Tuluá y el riego de cultivos de caña de azúcar, pastos y abrevaderos de animales, principalmente. En total, el caudal derivado desde la estación de medición Mateguadua, ubicada en el Jardín Botánico, hasta la desembocadura al río Cauca es de 4.7 m3/s, que representa el 33% del caudal promedio multianual.
Cuadro 1. Metodologías hidrológico-estadísticas.
Método Descripción Fuente
Porcentaje fijo de caudal Fija como caudal mínimo el 10% del caudal medio interanual, calculado con un periodo de registro de cinco años como mínimo.
Díez (2000) Kulik (1990) Legislación suiza Para aguas no piscícolas fija como caudal mínimo el valor de 50 l/s
o el 35% del Q347 (caudal superado 347 días del año), siempre que Q347 sea inferior a 1 m3/s. Para las aguas piscícolas se especifican
unos valores de caudales mínimos en función del Q347.
Díez (2000)
Índices de la curva de duración de
caudal Q95: usado como índice de caudal mínimo o indicador de condiciones mínimas extremas. Q90: valor mensual que brinda condiciones de caudal estable. Q50: mínimo caudal recomendado en ríos con represas.
Riggs et al. (1980), Caissie y El-Jabi (1995), Metcalfe et al. (2003)
Método de Tennant o de Montana Especifica unos porcentajes de QMA para distintas condiciones de
hábitat y estación climática del año. Tennant (1976)Arthington y Zalucki (1998) Pyrce (2004)
Método de Hoppe Relaciona los percentiles de la curva de duración-caudales (CDC) y las condiciones favorables para la biota acuática (trucha). Propone tres caudales a partir de la CDC y para tres estados de vida.
Díez (2000) Gordon et al. (1992)
Método del caudal medio base Propone como QA el caudal mínimo en verano, porque representa la condición natural más severa que la comunidad de especies del cauce podría experimentar.
Orth y Leonard (1990)
Índice 7Q10 Representa el caudal mínimo de siete días, con un periodo de retorno de diez años. Fue desarrollado como caudal mínimo para reducir cargas contaminantes en algunos ríos de Estados Unidos.
Riggs et al. (1980) Caissie et al. (1998) Tharme (2003) Índice 7Q2 Representa el caudal mínimo de siete días consecutivos, con un
periodo de retorno de dos años. Ontario Ministry of Natural Resources (1994) Caissie et al. (1998) Estudio Nacional del Agua Propone como QA el Q75 de la curva de duración de caudales
medios diarios y que representa el mínimo que podría fluir por el cauce una vez que se realicen las captaciones.
IDEAM (2000) Resolución 865/2004 (Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, 2004) Método de los caudales básicos de
mantenimiento
Se determina un caudal básico a partir de medias móviles, un caudal de acondicionamiento y un caudal de mantenimiento (QA), con el cual se determina el RQA con la aplicación del índice de variabilidad.
Resultados
Aplicación de los métodos hidrológicos
Previo a la aplicación de cada uno de los métodos se procedió a realizar un análisis exploratorio gráfico y cuantitativo (Castro y Carvajal, 2006b), con el fin de confirmar la consistencia y homogeneidad de la serie hidrológica utilizada. Posteriormente se aplicaron las metodologías (algunas con modificaciones), y se hizo una simulación hidráulica con HEC-RAS en 32 secciones transversales representativas del río, con el objeto de determinar si los QA y RQA propuestos cumplen con la altura mínima de tirante hidráulico que se estableció para el río Tuluá.
La aplicación de los métodos hidrológicos (cuadro 2) no entra expresamente en consideraciones medio-ambientales específicas del tramo analizado; en consecuencia, todas éstas tienen un carácter de simple aproximación, admisible como punto de partida, mientras no se disponga de una mejor caracterización biológica y ambiental, y han de tomarse con reserva, pues algunos métodos han sido desarrollados para regiones con condiciones hidrológicas y geomorfológicas muy diferentes a las de la zona de estudio.
Para aplicar el método de Tennant se le hicieron algunas modificaciones, ya que propone caudales para dos semestres del año, situación aplicable en los ríos donde se desarrolló (ríos de Montana, Wyoming
y Nebraska, Estados Unidos) y que presentan un particular régimen hidrológico; de esa manera, su aplicación en otras regiones podría darse después de definir la variación hidrológica propia de la región de estudio. En el caso del río Tuluá, se conoce el comportamiento bimodal del régimen hídrico, y por ello se realizó la modificación presentada en el cuadro 2, donde se observan cuatro trimestres, cada uno con un caudal sugerido según el método de Tennant, para unas condiciones de habitabilidad buena y excelente. Otra desventaja que cabe resaltar tanto en este método como en el de Hoppe (desarrollado en el río Frying Pan de Colorado, Estados Unidos), es que son técnicas desarrolladas para una especie íctica en particular (la trucha). Para el caso del río Tuluá, las especies ícticas características son la sabaleta (Brycon henni), la sardina (Bryconamaricus caucanus, Astyanax caucanus, Astyanax fasciatus, Astyanax microlepis) y el gupis (Poecilia caucana), las cuales presentan necesidades de hábitat, velocidad, tipo de sustrato y calidad del agua diferentes a las de la trucha.
En el cuadro 3 se observa, en la tercera columna, la relación en porcentaje entre el caudal estimado por cada una de las metodologías (segunda columna) y el porcentaje que representan en la curva-duración de caudales (cuarta columna).
en porcentaje del 10 al 83% del QMA, aunque con el método del Hoppe se excede en gran medida este valor. La mayoría de los métodos proponen QA que representan valores extremadamente bajos, cercanos a los mínimos históricos y superados más del 90% de veces, tal es el caso del método de la legislación suiza, 0.1QMA y Tennant. En la gran parte de los casos se plantean caudales constantes en el tiempo, lo que implica que no disponen de la variabilidad necesaria en un régimen de caudal que mantenga la vegetación terrestre adyacente, zonas de inundación, zonas hiporreicas y los estados de vida de las especies acuáticas, entre otras. Algunos, como el 7Q10 y el 7Q2, se basan en la probabilidad de ocurrencia de eventos extremos, lo que implica caudales mínimos que ocurren infrecuentemente y que generan efectos contraproducentes de corto plazo en el ecosistema fluvial. Los únicos que presentan una variabilidad intranual son el método del Estudio Nacional del Agua (ENA), propuesto por el IDEAM (2000) y el método de los caudales básicos de mantenimiento (Qbas), propuesto por Palau y Alcázar (1996), pues plantean un régimen que varía mes a mes.
Cuadro 2 . Caudal ambiental obtenido de la aplicación de las metodologías hidrológicas.
Método / Mes Ene. Feb.. Mar Abr... May Jun Jul. Ago. Sep. Oct. Nov. Dic.
(0.1QMA)* 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4
Leg Suiza 3.7 3.7 3.7 3.7 3.7 3.7 3.7 3.7 3.7 3.7 3.7 3.7
Tennant (Buena) 2.8 2.8 2.8 5.7 5.7 5.7 2.8 2.8 2.8 5.7 5.7 5.7
Tennant (Excelente) 4.3 4.3 4.3 7.1 7.1 7.1 4.3 4.3 4.3 7.1 7.1 7.1
Hoppe 7.0 7.0 7.0 14.1 14.1 14.1 7.0 7.0 7.0 21.2 21.2 21.2
Caudal medio base 8.4 8.4 8.4 8.4 8.4 8.4 8.4 8.4 8.4 8.4 8.4 8.4
Q95 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5 4.5
Q90 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6
Q50 11.8 11.8 11.8 11.8 11.8 11.8 11.8 11.8 11.8 11.8 11.8 11.8
7Q10 2.3 2.3 2.3 2.3 2.3 2.3 2.3 2.3 2.3 2.3 2.3 2.3
7Q2 4.4 4.4 4.4 4.4 4.4 4.4 4.4 4.4 4.4 4.4 4.4 4.4
ENA** 3.3 2.9 3.1 4.3 4.9 3.7 3.2 2.4 2.1 3.6 4.9 4.4
Qbas MM15 8.4 7.6 8.0 11.3 12.7 9.5 8.2 6.2 5.4 9.2 12.7 11.2
QMA 13.0 11.7 12.5 17.3 19.7 14.7 12.6 9.5 8.4 14.2 19.6 17.4
QMA mín 4.1 4.1 3.4 6.8 6.1 5.5 3.2 2.2 1.9 5.9 7.7 8.9
Qmín hist 2.8 1.2 1.6 2.9 2.0 2.1 1.9 1.7 0.9 1.4 4.3 1.8
Donde:
*QMA: caudal medio anual equivalente a 14.22 m3/s.
**ENA: método descrito en el Estudio Nacional del Agua (IDEAM, 2000). QMA mín: caudales medios mínimos.
***Los caudales mostrados están en m3/s. Qmín hist: caudal mínimo histórico.
Qbas MM15: caudal básico con media móvil de 15 días.
Tennant (buena): buenas condiciones de habitabilidad (Tennant, 1976; Díez, 2000; Castro & Carvajal, 2006a). Tennant (excelente): excelentes condiciones de habitabilidad (Tennant, 1976; Díez, 2000; Castro & Carvajal, 2006a).
Cuadro 3. Porcentaje del RQA con respecto al QMA y a la curva de duración de caudales.
Método RQA* % QMA % Curva duración
de caudales
(0.1QMA) 1.4 10 99
Legislación Suiza 3.7 26 97
Tennant
(buena) 2.8, 5.7 20, 40 98, 89
Tennant
(excelente) 4.3, 7.1 30, 50 96, 80 Hoppe 7, 14.06, 21.2 50, 99, 150 80, 40, 17 Caudal medio
base 8.4 59 70
Q95 4.5 32 95
Q90 5.6 39 90
Q50 11.8 83 50
7Q10 2.3 16 98
7Q2 4.4 31 96
ENA * 25 93 al 99
Para meses secos representa del
Qbas MM15 ** 64 70 al 91;
para meses
húmedos, del 46 al 65
Verificación de condiciones mínimas de profundidad
Según Palau (Cedex, 1998), la habitabilidad del tramo de un río se define como una función única de la profundidad o tirante hidráulico del cauce. Palau no considera el sustrato ni la distribución de la velocidad como parámetros a evaluar con el régimen de caudal ambiental, pues el sustrato, en primer lugar, se considera una circunstancia de la variabilidad de caudal y, por otra parte, la velocidad del agua está en función directa de la distribución de profundidades y de la rugosidad del lecho (sustrato). Es por ello que la variable hidráulica que se puede modificar y de la que depende principalmente la distribución de velocidades es la profundidad; además, define la cantidad de espacio habitable. La cuestión esencial entonces es determinar cuál es la profundidad mínima que hay que mantener, ya sea para conservar el paisaje fluvial, una comunidad vegetal de la ribera, especies ícticas, comunidades de fauna y vegetación bentónica, etcétera.
Debido a la falta de datos biológicos que permitan acercarse al valor de profundidad requerida por las especies piscícolas del río Tuluá, se propuso trabajar con profundidades mínimas obtenidas a partir de un análisis de tirantes hidráulicos conseguido con los caudales medios mínimos (QMA mín) y mínimos históricos (Qmín hist). En la ilustración 2 se muestra la profundidad en las 32 secciones transversales con el QMA mín y el Qmín hist del mes de septiembre (mes más seco del año). Como se observa en la ilustración 2, la sección crítica es la 22, registrando un tirante de 15 cm con el Qmín hist y 20 cm con el QMA mín.
En la ilustración 3 se muestran las profundidades medias en el río a partir de la simulación del caudal medio multianual para el mes de septiembre. Como se puede observar, las profundidades varían de 0.43 a 1.41 m, donde los tirantes mínimos se tienen en las secciones 31, 30, 22, 15, 3 y 1.
A partir del anterior análisis se consideró como profundidad mínima permisible 30 cm en condiciones de régimen de caudal ambiental medio, valor superior al establecido por Stalnaker y Arnette (1976), quienes sugieren que la profundidad debería ser mayor a 12 cm para el normal desplazamiento de las truchas pequeñas y de 18 cm para las de tamaño superior. Se considera un caudal ambiental medio, puesto que el RQA, además de cambiar a lo largo del año, debe presentar unos rangos de variación máximo y mínimo por mes, haciéndolo consistente con el régimen climatológico de la zona. En el caso del río Tuluá, el valor de 30 cm no se consideró obligatorio en años secos o que presenten una variabilidad climática alta (fenómeno de El Niño, ENOS), es por ello que así como se maneja un régimen de caudal ambiental variable a lo largo del año y con un rango de variabilidad, igualmente debe permitirse flexibilidad en el valor de las profundidades mínimas, pues como se observó en la ilustración 2, pueden existir niveles mínimos extremos en circunstancias naturales.
Simulación hidráulica con HEC-RAS
Se simuló en HEC-RAS un tramo con una longitud de 21 km, aproximadamente, entre la estación limnimétrica Ilustración 2. Variación de la profundidad a lo largo del río para
el mes de septiembre – QMA mín y Q mín hist.
32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2
Profundidad (m)
Variación de profundidades - mes de septiembre
Sección del río
Prof. con Qmín hist Prof. QMA mín 1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
Ilustración 3. Variación de la profundidad a lo largo del río para el mes de septiembre – QMA.
32 313029 2827 26 25 2423222120 19 181716 1514 13 1211 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
Profundidad (m
)
Variación de profundidades - mes de septiembre
Sección del río 1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
Cuadro 4. Comparativo entre la variación de caudal y nivel con los QA y RQA estimados.
Método Caudal Nivel
(0.1QMA)
El q10 es ligeramente superior a los Qmín hist en algunos meses del año, pero sustancialmente menor a los QMA y a los QMA mín del registro histórico. Los caudales se ven reducidos del 12 al 67%, en comparación con los Qmín hist, del 88 al 93% en el caso de los QMA y del 26 al 84% en el caso de los QMA mín.
La disminución de nivel en todas las secciones va del orden de los 4 a los 39 cm. Las variaciones son menores cuando se compara el q10 con los Qmín hist. Al comparar el QA propuesto con QMA, la variación es indiscutiblemente más drástica.
Legislación suiza
El porcentaje de variación del caudal propuesto por la legislación suiza con respecto al Qmín hist es positivo en la mayoría de los meses, con porcentajes que varían del 27 al 311%, pero presenta porcentajes de variación negativos (caudal propuesto menor al caudal del mes correspondiente) cuando se compara el Q leg. suiza con los QMA mín y los QMA.
La variación en nivel es significativa (se reduce de 12 a 85 cm) cuando se comparan los niveles que presentan las secciones transversales con el caudal propuesto por la legislación suiza y los QMA.
Tennant (buena/ excelente)
El régimen de caudal propuesto varía negativamente a lo largo del año
con respecto al QMA en un 50 a 67%, aproximadamente. Existe una variación positiva en nivel cuando se compara el QA por Tennant (E) con Qmín hist. Sin embargo, cuando se compara con el QMA, el nivel disminuye de 8 a 54 cm.
Hoppe
El QA propuesto es excesivo en algunos meses y supera el caudal medio en los tres últimos meses del año, pero presenta variaciones negativas con respecto a los QMA en el resto del año.
Con el Q80, los niveles disminuyen de 1 a 21 cm en los meses de enero-febrero-marzo y julio-agostp-septiembre; esto representa una disminución del orden del 1 al 16% en el nivel del agua con respecto a los QMA.
Caudal medio base
Presenta porcentajes altos de variación positiva (entre el 23 y 600%) respecto a los Qmín hist y a los QMA mín, y variaciones negativas (entre 11 y 57%) cuando se compara con los QMA.
Al comparar el caudal propuesto con los QMA, se presenta una disminución de nivel de 1 a 47 cm, que en algunas secciones equivale a una reducción en 44.2% en profundidad.
Q95, Q90 y Q50
Los caudales Q90 y Q50 presentan variación positiva (Q90, Q95 > Qmín hist) en todos los meses cuando se compara con los Qmín hist. Variaciones tanto positivas (Q90, Q95 > QMAmín) como negativas (Q90, Q95 < QMAmín) cuando se compara con los QMA min. El Q50 representa un caudal elevado y difícil de satisfacer en los meses más secos del año, como agosto y septiembre.
En nivel varía de los 5 a 64 cm cuando se compara el Q90 con el QMA, presentando mayor variación en las secciones aguas abajo desde la 22 hasta la 1.
7Q10, 7Q2
El caudal 7Q10 es menor a los Qmín hist. Mientras que el caudal 7Q2 representa casi el doble del mismo y es cercano al promedio de los caudales medios mínimos (4.98 m3/s). El porcentaje de variación del 7Q10
respecto al QMA es del 80%.
La variación del nivel del 7Q10 con respecto al QMA está entre el 30 y el 70%, y del 7Q2 está entre el 13 y el 61%. Las reducciones son significativas, puesto que disminuyen el nivel entre 16 y 95 cm para el caso del 7Q10, y entre 9 y 73 cm para caso del 7Q2.
ENA
El porcentaje de variación es positivo cuando se compara con los Qmín hist y negativa (1-51%) con respecto a QMA mín. En cuanto a los QMA, la variación es negativa en un 75%.
Al comparar el nivel con el RQA propuesto por el ENA y el QMA de cada mes, las variaciones en nivel están entre los 11 y los 69 cm. El caudal recomendado por la ENA es muy similar al caudal mínimo histórico.
Qbas MM15
El régimen de caudal propuesto (QBM MM 15) es inferior en un 36% (aprox.) a los QMA, pero superior en un alto porcentaje (26 a 554 % aprox.) a los QMA mín y a los Qmín hist. El régimen de caudal ambiental propuesto es alto, comparado con los determinados con la mayoría de los métodos.
Mateguadua y la desembocadura al río Cauca. Se definieron 32 secciones transversales, con una sepa-ración entre ellas de 158 a 3 300 m. Se simuló en condición de flujo permanente con la profundidad normal (S= 0.01586), como condición de frontera aguas abajo, para un total de 75 simulaciones con las que se cubren todos los caudales estimados por los métodos hidrológicos. El objetivo de la simulación hidráulica con HEC-RAS consistió en primer lugar en comparar los QA y RQA propuestos con los caudales mínimos históricos (Qmín hist), caudales medios mínimos (QMA mín) y los caudales medios multianuales (QMA), como se muestra en el cuadro 4. En segundo lugar, la simulación permitió determinar las profundidades que generaban los QA y RQA calculados, lo que permitió compararlos con el tirante hidráulico mínimo impuesto en condiciones de caudal ambiental medio, a fin de garantizar las condiciones de habitabilidad de las especies ícticas (cuadro 5).
Análisis de resultados
Método de Tennant
Tennant realiza una separación en dos periodos (octubre-marzo y abril-septiembre) debido a que los ríos donde se desarrolló la metodología (ríos de Montana, Wyoming y Nebraska, Estados Unidos) presentan ambos semestres definidos por caudales altos y bajos. En el caso del Valle del Cauca, se podrían distinguir cuatro trimestres: dos de caudal bajo (enero-febrero-marzo, julio-agosto-septiembre) y dos de caudal alto (abril-mayo-junio y octubre-noviembre-diciembre), para realizar el cálculo del régimen de caudal ambiental; es así como se obtuvieron los resultados presentados en el cuadro 2 para una condición de habitabilidad buena y excelente (según el método de Tennant).
De los resultados obtenidos con el método de Tennant, se puede decir que el método muestra algunas deficiencias, puesto que define dos semestres Cuadro 5. Comprobación de condiciones de habitabilidad.
Método Cumple(sí/no) Observaciones
0.1QMA No Con un caudal ambiental (QA) de 1.4 m3/s constante a lo largo del tiempo, se presentan profundidades
inferiores a los 30 cm en 11 de las 32 secciones transversales. Presenta diferencias significativas de profundidad (20 cm a 1.10 m) entre el QA propuesto y las profundidades presentadas con el QMA. Legislación suiza No Con QA de 3.2 m3/s, siete de 32 secciones presentan profundidades inferiores o equivalentes a los
30 cm.
Tennant (excelente) Sí Con el QA propuesto con el método de Tennant modificado se cumple en todas las secciones con la profundidad mínima de 30 cm; únicamente en la sección 22 se obtuvo un tirante inferior.
Hoppe Sí Se realizó la simulación hidráulica con el menor caudal recomendado en el método de Hoppe y se comprobó que en todas las secciones transversales la profundidad fue superior a 30 cm.
Caudal medio base Sí En todas las secciones del río se presenta un tirante superior a los 30 cm.
Q95 Sí Se presenta una profundidad superior a los 30 cm en todas las secciones y de 31 cm en la sección 22, sección crítica para la mayoría de los QA y RQA propuestos.
Q90 Sí En todas las secciones del río se presenta un tirante superior a los 30 cm. Q50 Sí En todas las secciones del río se presenta un tirante superior a los 30 cm. 7Q10 No Se presentan profundidades menores a los 30 cm en ocho de las 32 secciones.
7Q2 Sí Se presenta una profundidad superior a los 30 cm en todas las secciones y de 30 cm en la sección 22.
ENA No Se presentan tirantes inferiores a los 30 cm en algunas secciones, como la 30, 31 y 22; esta última con profundidades menores a 30 cm en todos los meses del año.
aplicables a los ríos donde se desarrolló, con particulares características hidrológicas; así, su aplicación en otras regiones debe darse después de definir la varia-ción hidrológica propia de la región de estudio. En el caso del río Tuluá, se conoce el comportamiento bimodal del caudal, y por ello se hizo la modificación presentada en el cuadro 2; aun así, los caudales difieren del comportamiento variable del río. Los caudales recomendados como mínimos para una condición excelente y buena representan, en el caso del río Tuluá, unos caudales mínimos presentados en algunos años de registro, pero que no constituyen las condiciones óptimas para el ecosistema fluvial.
Método de Hoppe
De los resultados obtenidos con este método se puede decir que los caudales mínimos mostrados representan, de alguna forma, la variabilidad que debe exhibir el río para que la vida acuática se mantenga. En el caso de estudio, habría que entrar a analizar las especies ícticas que habitan en el cauce y a partir de ello definir cuáles son los caudales que favorecen sus estados de vida. Una de las desventajas del método de Hoppe es que determina caudales para la trucha a partir de experiencias en el río Frying Pan de Colorado, Estados Unidos, cuya hidrología es diferente a la del río Tuluá, pues presenta un régimen unimodal típico de los registros hidrológicos norteamericanos, con épocas de hielo y deshielo. Es por ello que la aplicación del método de Hoppe no podría recomendarse en los ríos colombianos.
Índices Q95, Q90, Q50
De acuerdo con los índices obtenidos, se puede decir que el Q95 y el Q90 representan el caso más crítico con caudales que sólo se han presentado en los años más secos y que no constituyen ni el caudal mínimo medio histórico. En cambio, el Q50 representa la mediana del periodo de registro, es decir, el caudal que ha sido excedido el 50% de las veces; se trata de un caudal generoso con el río y el ecosistema fluvial, pero cuyo valor no puede considerarse único a lo largo del año, porque se pueden presentar meses (en años secos) en los que ese caudal no se pueda cumplir, además de que los usos quedan restringidos.
Porcentaje fijo de caudal, legislación suiza, método del caudal base, índice 7Q10 e índice 7Q2
Los caudales determinados a partir de estos métodos no representan la variabilidad propia del río y son caudales mínimos extremos.
Estudio Nacional del Agua
El caudal ambiental propuesto por el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia (IDEAM, 2000) representa un régimen que cambia a lo largo del año, pero cuyos valores exhiben, en la mayoría de los meses, caudales menores a los caudales medios mínimos. Ahora bien, si se comparan los resultados de la metodología propuesta por el IDEAM (2000) con los registros mínimos históricos, se puede decir que los caudales calculados son mayores, pero es necesaria la simulación hidráulica para verificar las condiciones mínimas de profundidad impuestas en el río Tuluá y así confirmar la aplicabilidad del método.
Método de los caudales básicos de mantenimiento (Palau y Alcázar, 1996)
Inicialmente se calcularon las medias móviles para 3, 5, 7, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 y 100 días consecutivos. A partir de éstos se realizó una gráfica y se determinó el caudal base como aquel a partir del cual no hay un aumento significativo de caudal; para el caso en estudio, se localizó en la media móvil de 15 días (caudal básico: 5.40 m3/s). Definido el caudal básico, se determinó el índice de variabilidad, que relaciona el caudal medio de cada mes y el mes de menor caudal. Posteriormente se multiplicó el caudal básico con el índice para obtener el régimen de caudal ambiental propuesto en el cuadro 2.
El RQA planteado representa el comportamiento medio del río y varía mensualmente; aun así, se planteó mejorar la metodología, proponiendo que el RQA no se restrinja al uso estricto del régimen propuesto, sino que varíe de acuerdo con las condiciones climáticas impuestas, y que esa variación se conserve dentro de los límites históricos registrados. Los límites están definidos por los coeficientes de variación mensual multianual, que sirven, además, como metas de manejo. Para el río Tuluá, los límites quedaron definidos multiplicando el RQA propuesto por el coeficiente de variación que presentó cada mes en el registro histórico de caudales de 1975-1995.
Conclusiones y recomendaciones
con los caudales mínimos históricos, y desarrollados para regímenes hidrológicos y especies-objeto particulares.
• Metodologías simplistas, como aquellas que fijan un porcentaje del caudal medio multianual o utilizan la curva de duración de caudales para fijar índices, no tienen en cuenta la variabilidad hidrológica del río, reconocida como la fuerza más importante que impulsa los ecosistemas ribereños. Son una solución rápida sin fundamento teórico y no deben ser consideradas para hacer determinaciones de QA, si lo que se procura es mantener las mínimas condiciones ambientales en el río.
• Debido a la falta de información biológica que permitiera conocer con certeza los requerimientos en velocidad y profundidad de las especies ícticas del río Tuluá, se procedió a llevar a cabo un análisis de la profundidad mínima permisible a partir de un análisis hidrológico con los caudales medios mínimos y caudales mínimos históricos, con lo que se obtuvo como profundidad mínima a mantener en condiciones de caudal ambiental medio de 30 cm, valor consistente con las recomendaciones dadas por Stalnaker y Arnette (1976), y que se obtiene de un análisis de las condiciones mínimas naturales a las que se ha visto expuesto el ecosistema fluvial; pero se considera recomendable realizar estudios biológicos in situ de la especie o especies por conservar, incluyendo macroinvertebrados, bentos, fitoplancton, etcétera.
• De los índices Q90, Q95, Q50, se puede concluir que el Q95 y el Q90 representan los casos más críticos, con caudales que sólo se han presentado en los años más secos y que no representan ni el caudal mínimo medio histórico. En cambio, el Q50 constituye la mediana del periodo de registro; es un caudal generoso con el río y el ecosistema fluvial, pero cuyo valor no puede considerarse único a lo largo del año, porque restringiría el uso en los meses secos del año.
• La metodología propuesta por el IDEAM (2000) muestra un régimen que cambia a lo largo del año, pero cuyos valores representan, en la mayoría de los meses, caudales menores a los caudales medios mínimos; además, en algunas secciones transversales se presentaron profundidades menores a la profundidad mínima impuesta, lo que sugiere que es un método que impone generalidad al proceso de determinación del RQA. La determinación del mismo debería iniciar con un análisis del comportamiento del régimen natural de caudales y de las condiciones mínimas presentadas en el río, para posteriormente
hacer las respectivas recomendaciones de asignación de caudal.
• El método de caudal básico propuesto por Palau y Alcázar (1996) es, entre los métodos hidrológicos expuestos en el presente documento, uno de los mejores, porque permite no sólo determinar un régimen de caudal ambiental variable a través del año, sino que se adapta a las condiciones hidrológicas propias de la región; incluso para su uso en el río Tuluá se hicieron algunas modificaciones, con las cuales se pudo mejorar su aplicación (inclusión del rango de variabilidad).
• HEC-RAS como herramienta de simulación hidráulica permitió obtener los niveles mínimos presentados en condiciones naturales en el río (QMA, QMA mín, Qmín hist) y con las condiciones impuestas con los QA y RQA propuestos; esto fue útil para su posterior comparación y verificación del cumplimiento de la profundidad mínima establecida. La herramienta se considera indispensable, pues permite conocer parámetros hidráulicos en condiciones naturales y ficticias, lo que posibilita realizar análisis de comparación y verificación.
• Es importante que la definición del régimen de caudal ambiental esté enmarcada dentro de un conjunto de prácticas de gestión en la cuenca, relacionadas con el uso del suelo, los derechos de agua, control de la contaminación y control de las actividades humanas. Limitarse a establecer un caudal ambiental en un río en grave proceso de degradación puede resultar inútil e incluso perjudicial.
• La definición del régimen de caudal ambiental es un tema reciente en el entorno colombiano y son pocos los estudios o investigaciones para determinar los caudales que deben permanecer en una determinada corriente hídrica después de un aprovechamiento. Por lo tanto, es necesario empezar a desarrollar trabajos que permitan aplicar, construir y estructurar conocimiento sobre el régimen de caudales ambientales enmarcados al contexto nacional. Dichas metodologías servirán de base a las autoridades ambientales en la toma de decisiones para conceder asignaciones, cobro de tasa por uso del agua, licencia de construcción de obras hidráulicas, etcétera.
y se evalúen las condiciones de habitabilidad de las especies acuáticas representativas, así como calidad de agua y usos potenciales con los caudales propuestos, entre otras.
• Las metodologías hidrológicas son una primera aproximación para determinar el QA o el RQA a man-tener en el cauce, pero tienen un carácter de simple aproximación, admisible cuando no se dispone de información biológica, hidráulica y ambiental. Hay métodos más completos que se enmarcan dentro del enfoque hidrobiológico, como la metodología incremental para la asignación de caudales (Instream Flow Incremental Methodology, IFIM; Bovee et al., 1998), o dentro del enfoque holístico, como la metodología de los bloques de construcción (Building Blocks Methodology, BBM; King y Tharme, 1994; King y Louw, 1998) y la metodología holística australiana propuesta por Arthington et al. (1992). Enfoques que combinan aspectos hidrológicos, hidráulicos, geomorfológicos, biológicos y compo-nentes económicos, culturales y sociales, entre otros, que permiten obtener un RQA de manera más completa, y con mayores posibilidades de aceptación y permanencia en el sistema fluvial.
Agradecimientos
Los autores agradecen a COLCIENCIAS y a la Universidad del Valle, Cali, Colombia, por la financiación del proyecto “Metodología para la determinación del régimen de caudal ambiental en el río Tuluá – subcuenca del río Cauca”, en la modalidad de Jóvenes Investigadores e Innovadores 2005 – Convocatoria de Méritos. El proyecto permitió conceptualizar y caracterizar el régimen de caudal ambiental en la cuenca del río Tuluá, y ha permitido definir una metodología aplicable a los ríos colombianos.
Recibido: 20/06/2007 Aprobado: 29/11/2007
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Abstract
CASTRO-HEREDIA, L.M. & CARVAJAL-ESCOBAR, Y. Evaluation of hydrological methods to obtain environmental flows in the Tuluá River, Colombia. Hydraulic engineering in Mexico (in Spanish). Vol. XXIII, no. 4, October-December, 2008, pp. 119-131.
Most rivers in the world have been modified in their structure, form, composition or function, which has caused severe ecological and environmental alterations, such as pollution, a dramatic reduction in flow, and less environmental and recreational services. To reduce the human impact on the hydrological systems, new policies of sustainability are being developed worldwide. The aim is the sustainable and responsible use of water resources. One of them is the development and implementation of techniques to estimate environmental flows (EF) and environmental regimen flow regime (EFR). In this article, some hydrological methods used to determine EF and EFR are explained, and their implementation in the Tuluá River (Valle del Cauca-Colombia). Simulation on HEC-RAS of the given flows was performed in order to examine flow and level variability. The result showed that most hydrological methods demand constant flows over time, and are specific for certain places and aquatic species, but some others calculate a variable EFR throughout the year and with some modifications can be used in Colombian Rivers.
Keywords: environmental flow regime, interannual variability, hydraulic simulation, HEC-RAS, natural flow regime, water resources management.
Dirección institucional de los autores:
Ing. Lina Mabel Castro-Heredia
Asistente de docencia e investigación
Grupo de Investigación en Ingeniería de los Recursos Hídricos y Desarrollo de Suelos (IREHISA)
Facultad de Ingeniería Universidad del Valle Ciudad Universitaria Meléndez Cali, Colombia
teléfono: + (57) (2) 321 2153, extensión 219 [email protected]
Dr. Yesid Carvajal-Escobar
Profesor asociado
Director de la Escuela de Ingeniería de los Recursos Naturales y del Ambiente (EIDENAR)
Director del Grupo de Investigación en Ingeniería de los Recursos Hídricos y Desarrollo de Suelos (IREHISA)
Universidad del Valle Ciudad Universitaria Meléndez Cali, Colombia
