Cálculo avanzado para la determinación del caudal ecológico

El agua transportada por los ríos tiene una doble funcionalidad, como recurso dentro de la reserva hídrica del país y también como componente funcional del sistema fluvial. Una buena gestión del recurso fluvial debe de garantizar mantener la funcionalidad del río, bajo diferentes perspestivas: ambientales, sociales y económicas.

 

Caudales de flujo en un río para condiciones naturales y alteradas por una presa.

Caudales de flujo en un río para condiciones naturales y alteradas por una presa.


Condiciones naturales de flujo

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  • Los peces tienen una adecuada concentración de oxígeno que les permite moverse agua arriba y abajo para alimentarse.
  • La vegetación de rivera sostenida por la descarga del agua subterrénea.
  • Los insectos se alimentan de materia orgánica transportada por la corriente de agua.
  • Las aves dependen de la vegetación de rivera y presas acuáticas.

 

 

Condiciones inadecuadas de flujo

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  • Los peces se encuentran superpoblados en agua de baja calidad, no pueden moverse a otras áreas para su alimentación.
  • La vegetacion de rivera se marchita por el descenso de la napa freática.
  • Los insectos se ven afectados por el aumento y descenso drástico del nivel de agua.
  • Las aves incapaces de alimentarse o reproducirse en las copas de los árboles.

Condiciones naturales de inundación

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  • Los peces se pueden alimentar y reproducirse en zonas inundadas.
  • Las semillas de la vegetación de rivera germinan en las zonas inundadas.
  • Los insectos emergen desde el agua para completar su ciclo de vida.
  • Las aves se alimentan de peces y las plantas presentes en las áreas inundadas.

Condiciones inadecuadas de inundación

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  • Los peces no disponen de zonas inundadas para la alimentación y reproducción.
  • La vegetación de rivera invade el canal del río.
  • El hábitat de los insectos disminuye por la presencia de limos y arena.
  • Algunas aves no pueden usar la vegetación de rivera debido al cambio.

 

Tabla. Relaciones Ecológicas e Hidráulicas Postel y Rithcer, 2003 

El desarrollo económico de cualquier país incrementa el aprovechamiento de los recursos hídricos produciendo una fuerte presión sobre ellos, alterando el régimen natural de los ríos y ecosistemas fluviales. Gracias al interés en la preservación del medio ambiente, se realizan estudios interdisciplinarios de las cuencas hidrográficas para garantizar la sostenibilidad de los recursos hídricos y los bienes que dependen de ellos. Es muy importante conocer las conexiones entre la ecología e hidrología para poder elaborar una gestión adecuada de los ecosistemas y recursos hídricos.

 

Objetivos

El cálculo avanzado de determinación del caudal ecológico busca los siguientes objetivos específicos:

  1. Generar curvas empíricas de respuesta de flujo y respuesta biótica.
  2. Identificar los puntos clave en la respuesta biótica.
  3. Definir las condiciones de flujo no alteradas y el hábitat objetivo a mantener.
  4. Identificar los niveles de alteración que son aceptables para funciones del ecosistema definidas y la cantidad y calidad de flujo necesario para restaurar los atributos deseados del ecosistema.

Este cálculo avanzado también debe recomendar el manejo de reservorios para soltar caudales de agua en cantidad, calidad y tiempo apropiados que mantengan el caudal ecológico, especialmente en época de estiaje. El cálculo está desarrollado mediante la metodología IFIM.

 

Metodología IFIM

Uno de los instrumentos más utilizados para la evaluación de los efectos de la variación del caudal en el hábitat acuático, es el método IFIM (Instream Flow Incremental Methodology). En la actualidad es la metodología más aceptada científicamente para determinar regímenes de caudales consensuados que garanticen un estado ecológico determinado en agua superficial.

IFIM se define como un marco conceptual y analítico comprensivo, que combina enfoques ecohidrológicos y ecohidráulicos avanzados, con la finalidad de evaluar a escala temporal y espacial los efectos del cauce y la calidad físico-química del agua.

Esta metodología integra la simulación de hábitat y sistemas de análisis mediante el software PHABSIM , “Physical Habitat Simulation System” desarrollado por la USGS.

Promovido por el Servicio de Pesca y Vida Silvestre de EEUU (USFWS). La perspectiva final del IFIM es la de un proceso y su esquema operativo jerárquico se estructura en cuatro fases:

  • Fase I :Identificación del problema y diagnóstico
  • Fase II: Plan de estudio
  • Fase III: Implementación de estudio
  • Fase IV: Análisis de alternativas y Resolución del Problema

Los principales impactos que sufren los ríos se dividen en cinco categorías: Régimen de Flujo, Calidad del Agua, Estructura Física, Fuente de alimentación e Interacciones Bióticas. El modelamiento de estas variables proporciona una evaluación adecuada de los impactos derivados de la actividad antropogénica. La metodología IFIM a la vez que permite evaluar el caudal ecológico, también provee una base para la comprensión de los impactos de origen antropogénico a los ríos y cursos de agua.

 

Determinación avanzada del Caudal Ecológico

Cada vez es más frecuente el uso de las herramientas de modelación para desarrollar una gestión integral de las cuencas hidrológicas para garantizar el mantenimiento de la calidad ambiental y productividad.

La evaluación del caudal ecológico requiere la comprensión de los procesos físicos del ciclo hídrico y del ecosistema acuático y de zonas de inundación. Este cálculo avanzado para la evaluación del caudal ecológico es intensivo en el uso de modelamiento numérico con distintos softwares para las fases de investigación tal como se muestra en la figura siguiente.

 

Planteamiento de Modelación para estudio de Caudal Ecológico

Planteamiento de Modelación para estudio de Caudal Ecológico

A continuación se detallan las principales características y componentes de los softwares a utilizar:

 

 

Modelamiento Hidrológico/Hidrogeológico con GSFLOW

 

Las interacciones entre el régimen de flujo de agua subterránea y superficial pueden influir en gran medida en los flujos superficiales en especial en área de marcada tendencia estacional como es la zona de estudio.

El modelamiento hidrológico/hidrogeológico se lleva a cabo mediante GSFLOW desarrollado por la USGS. GSFLOW en un código de modelamiento de flujo de agua subterránea y superficial basado en la integración de MODFLOW-2005 con el Sistema de Modelamiento de Precipitación y Escorrentía (PRMS). Este código simula el flujo a través de la superficie terrestre dentro de sub-superficies saturadas y de material no saturado, además del flujo dentro de arroyos y lagos de una o más cuencas. 

Sección de corte con los principales procesos físicos del ciclo hídrico considerados por GSFLOW

Sección de corte con los principales procesos físicos del ciclo hídrico considerados por GSFLOW

El código de modelamiento PRMS (Sistema de Modelamiento de Precipitación - Escorrentía) es un sistema modular, de parámetros espacialmente distribuidos, que representa los procesos físicos de una cuenca hidrográfica. Fue desarrollado por el Servicio Geológico de Estados Unidos – USGS para evaluar los efectos de varias combinaciones de geomorfología, tipo y uso de suelo, vegetación y parámetros climáticos sobre la respuesta hidrológica de la cuenca. La respuesta a la precipitación como lluvia y nieve, en forma regular, y a la de eventos extremos de precipitación, pueden ser simulados para evaluar los cambios en las condiciones del balance hídrico, los regímenes de flujo, los flujo pico y volúmenes, las relaciones entre suelo y agua, y la recarga a agua subterránea.

 

Diagrama esquemático de una cuenca simulada por PRMS con sus datos de ingreso climáticos

Diagrama esquemático de una cuenca simulada por PRMS con sus datos de ingreso climáticos

El modelamiento con GSFLOW es calibrado con niveles piezométricos y valores de flujo medidos a lo largo de año.

Los resultados del modelamiento con GSFLOW proveerán los siguientes resultados:

  • Flujo escorrentía superficial en las quebradas indicadas.
  • Descarga de agua subterránea a los cursos de agua.
  • Pérdidas por evapotranspiración en las cuencas de estudio.

 

Modelamiento Hidráulico con HEC-RAS

Los modelos hidráulicos de río utilizan la gradiente y la topografía para evaluar el tirante, las velocidades y las zonas inundadas. Estos resultados están ligados a los requerimientos del modelamiento del ecosistema del río.

El modelo numérico HEC-RAS está desarrollado por Cuerpo de Ingenieros del Ejército de Estados Unidos. El cálculo realizado es en dos dimensiones en distintas secciones de corte a lo largo del curso de los ríos con los caudales calculados por el modelamiento hidrológico.

Esquema del Sistema Fluvial por HEC-RAS y secciones de análisis

Esquema del Sistema Fluvial por HEC-RAS y secciones de análisis

Modelamiento de Hábitat Acuático con PHABSIM

 

 El software Physical Habitat Simulation System, PHABSIM, desarrollado por la USGS forma parte del marco conceptual y analítico de la metodología IFIM. Este modelo predice los cambios físicos del microhábitat asociados a los regímenes del caudal.

PHABSIM proporciona una variedad de herramientas para la simulación de la estructura del hábitat físico y sus características dependientes del flujo, en base a las respuestas de las especies biológicas de referencia en las diferentes etapas de vida de la especie.

Los resultados obtenidos mediante PHABSIM se definen como un indicador de la población potencial en los sistemas acuáticos donde las condiciones del hábitat descritas por PHABSIM son las mayores limitaciones de población.

PHABSIM permite conocer el parámetro WUA (Weighted Usable Area) relacionado a la medición del hábitat mediante la combinación de cantidad y calidad de microhábitat físico. 

Gráfico de cuantificación del hábitat para una determinada especie en función de la velocidad del río

Gráfico de cuantificación del hábitat para una determinada especie en función de la velocidad del río

Modelamiento de Ecosistema con HEC-EFM

 

Ecosystem Functions Model (HEC-FEM), desarrollado por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de Estados Unidos, es una herramienta de planificación que ayuda a analizar las respuestas del ecosistema, frente a los cambios del régimen de flujo de un río.

En HEC-EFM las respuestas ecológicas del río incluyen las distribuciones de arbustos y vegetación a lo largo del año. El modelo utiliza los valores calculados de flujo y tirante y simula la respuesta ecológica debido al cambio de estación, duración y frecuencia.

Permite establecer relaciones funcionales, las cuales enlazan las características hidrológicas e hidráulicas en el tiempo con los elementos del ecosistema.

Este software incluye un tratamiento estadístico, que analiza el flujo y la serie de tiempo para especificar el criterio y así obtener un valor único de flujo para cada relación funcional establecida.

Mediante este proceso, se podrá visualizar los resultados usando sistemas de información geográfica y conocer las condiciones ecológicas existentes, conocer zonas que requieran de restauración, y evaluación y clasificación de las alternativas acordes a los cambios estimados en diferentes aspectos del ecosistema

Modelo HEC-EFM predice recubrimiento de vegetación de ribera (capa verde) y pérdida de recubrimiento por inundación prolongada (capa azul)

Modelo HEC-EFM predice recubrimiento de vegetación de ribera (capa verde) y pérdida de recubrimiento por inundación prolongada (capa azul)

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