jueves, 19 de enero de 2017

Softwares para modelación hídrica

Sistemas de información geográfica:

Los Sistemas de Información Geográfica son sistemas de información espacial que trabajan con datos georeferenciados para la gestión y análisis de datos espaciales, y elaboración de cartografía. Estos sistemas han sido un paso importante en el desarrollo de la gestión del agua, no solo para mapear sino para tomar decisiones mediante las aplicaciones que nos facilitan los análisis espaciales (Sanchez & Amorós, 2012).



Morad & Triviño (2001) manifiestan que los SIG son heramientas muy productivas y con grandes aportaciones en los modelos hidrológicos, debido a su gran operatividad, de esta manera son importantes en la experimentación rápida de nuevos conceptos. Cabe destacar que la estructura de datos en capas o estratos, posibilita que los modelos puedan ser analizados e interpretados de forma más rápida.  Maidment (1991) citado en Morad & Triviño (2001) agrupa las aplicaciones de los SIG en hidrología de la siguiente manera:
 
·         Gestionar y controlar las masas de aguas superficiales
·         Evaluación e inventarios hidrológicos
·         Determinación de parámetros hidrológicos.
·         Construcción de modelos hidrológicos sencillos (sin análisis estadístico)
·         Construcción de modelos hidrológicos integrados.

Los modelos hidrológicos tienen varias ventajas con respecto a los métodos de medición de campo, tales como: realizar proyecciones futuras con base en los cambios de uso del suelo minimizando el impacto sobre los ecosistemas, ajustar variables de medición de campo, además de la ventaja de la economía, ya que permiten tomar datos para calibrar modelos y obtener resultados sin esperar largos períodos de tiempo en la toma de datos de campo (Benavides, González, López, Valdez, 2008).

Modelación hídrica e hidráulica con HEC-RAS

 Tahmasbinejad, Feyzolahpour, Mumipour & Zakerhoseini (2012), mencionan que el HEC-RAS está diseñado para realizar cálculos hidráulicos unidimensionales, es decir representa flujos de agua en ríos, canales naturales o artificiales. El sistema puede utilizarse para modelar un canal o una red de canales y simular flujos subcríticos, supercríticos y mixtos, además este sistema puede calcular perfiles de la superficie del agua para flujo gradualmente variado, tanto permanentes como no permanentes. Santos, Cubillos & Vargas (2008), señalan que el modelo requiere de las medidas de las secciones transversales del río o canal, factores de rugosidad de Manning para cada sección, coeficientes de contracción y expansión, distancias entre secciones y pendientes, además para su calibración se utiliza la información de los aforos líquidos en cada tramo considerado.

Entre las principales características del modelo según Castro & Carrasco (2011) se tiene:

  • ·         Realiza el cálculo hidraúlico de canales, puentes, aliviaderos, alcantarillas, entre otros.
  • ·         Permite la visualización gráfica de los datos y resultados.
  • ·         Permite la edición gráfica de las secciones transversales.

       
       MODELO InVEST (Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)
     
      InVEST es un modelo de evaluación de servicios ecosistémicos diseñado para apoyar la toma de decisiones en el manejo de recursos naturales. Es una herramienta que permite cuantificar como los cambios en el ecosistema y el clima afectan los flujos de los servicios ambientales como por ejemplo la disponibilidad de agua (Sharp et al., 2015).  InVEST es un modelo de acceso libre desarrollado por el natural capital  project http://www.naturalcapitalproject.org/%20invest/ que se compone por 18 sub-modelos para la simulación de diversos componentes del ecosistema.  Este estudio usar subcomponente de disponibilidad de agua.  El modelo de disponibilidad del agua en InVEST se basa en la teoría de balance de agua de Budyko y estima el agua disponible a una escala de tiempo anual.
u    

      Water Yield

      El modelo necesita como datos de entrada el promedio de precipitación, la evapotranspiración referencial , temperatura de la superficie terrestre, modelo de elevación digital, cobertura del uso del suelo, mapa de tipos de suelo, profundidad de las raíces, disponibilidad de agua en las plantas, conductividad hidráulica y uso consuntivo del agua.






viernes, 13 de enero de 2017

CAMBIO CLIMÁTICO Y RECURSOS HÍDRICOS



INCIDENCIA DEL CAMBIO CLIMÁTICO Y DE USO DEL SUELO EN LA DISPONIBILIDAD DE AGUA EN LA CUENCA DEL RÍO NAPO 



 Antecedentes

Los cambios climáticos y de cobertura de la tierra se encuentran entre las mayores presiones ambientales globales resultantes de las actividades antropogénicas, que tienen un gran impacto en el ciclo hidrológico (Mango, Melesse, McClain, Gann y Setegn, 2011). Por tanto, el estudio de estos cambios en el ciclo hidrológico y la creciente escasez de agua se han convertido en un tema importante de investigación para la comunidad científica. Consecuentemente, la respuesta hidrológica de las cuencas hidrográficas al cambio climático y a los cambios de uso de suelo es un tema fundamental para la planificación y gestión de recursos hídricos. 



En América del Sur la cuenca amazónica es una región que provee de cuantiosos bienes y servicios ambientales y desempeña un papel importante en la regulación del clima a escala global (Finer y Jenkins, 2012). Sin embargo los cambios relacionados a precipitación y temperatura atmosférica alteran la respuesta hidrológica de la cuenca. Hasta el momento se han realizado estudios de modelización hidrológica basados en estos datos climáticos a escala de cuenca amazónica pero rara vez se ha aplicado a afluentes del río Amazonas como el río Napo (Getirana, Collischonn, Guyot, Seyler y Mansur, 2010). 


Problema



En los últimos años la cuenca del Río Napo, que drena la parte nororiental de la cordillera de los Andes, se ha visto afectada por la industria maderera, explotación del petróleo y la población humana en expansión (Finer y Jenkins, 2012). Según (Mainville et al., 2006) la tasa de deforestación en la Amazonía ecuatoriana es de las más altas en América del Sur y más del 85% de las tierras despejadas están dedicadas al pastoreo y la agricultura. 

La explotación petrolera y el incremento de proyectos hidroeléctricos incrementan los niveles de deforestación debido a la construcción de carreteras en áreas previamente inaccesibles (Webb et al., 2004). Además el incremento de la presión atmosférica parcial de CO2 provoca cambios en la temperatura atmosférica y en los campos de precipitación que pueden alterar la respuesta hidrológica de la cuenca del Río Napo (Getirana et al, 2010). Además no existe información hidrológica desarrollada ni información base disponible para los tomadores de decisiones con lo cual puedan gestionar de mejor manera el recurso.

Justificación


Los efectos de cambios en la cobertura vegetal y cambio climático sobre la disponibilidad de agua han generado un interés y necesidad de investigación en esta región. es necesario analizar escenarios alternativos de uso de suelo y cambio climático para obtener información de posibles cambios en la disponibilidad de agua y obtener una buena comprensión de la respuesta hidrológica real de la cuenca con base a condiciones futuras. Toda la información obtenida es importante para generar políticas que respondan a las afectaciones del recurso hídrico asociadas con el cambio climático. Además, planificar a largo plazo el uso de tierras y agua y realizar evaluaciones estratégicas para la implementación de nuevos proyectos como la construcción de represas hidroeléctricas en la zona. Este enfoque de gestión permite a los tomadores de decisiones considerar las múltiples consecuencias vinculadas con sus decisiones (Tallisa y Polasky, 2009).





Los modelos hidrológicos permiten conocer variables que no han sido tomadas en campo, realizar proyecciones futuras y con mayor rapidez. El balance hídrico contempla las variables del ciclo hidrológico que pueden ser cuantificadas mediante la utilización de modelos 




Objetivo general

Evaluar la incidencia del cambio climático y de uso del suelo en la disponibilidad de agua en la cuenca del Río Napo mediante la construcción del modelo InVEST.

 Objetivos específicos

·         Determinar la disponibilidad del agua en la cuenca del Rio Napo.
·         Pronosticar la disponibilidad futura del agua en un contexto de cambio climático y uso del suelo
·         Analizar como el cambio climático y de uso del suelo afecta la disponibilidad del agua en la cuenca del Rio Napo.


 Pregunta de investigación


¿El cambio climático y de uso del suelo influye en la disponibilidad del recurso hídrico en la cuenca del Río Napo?



Metodología

Área de Estudio


El área de estudio comprende la cuenca del río Napo en la Amazonía del Ecuador que se extiende desde la cima del volcán Cotopaxi a 4000 metros de altitud hasta el inicio del río Amazonas peruano a 100 m.s.n.m 
Es una zona con abundantes recursos hídricos por lo que actualmente existe una mega-represa en la Amazonía andina de Ecuador (Coca Codo Sinclair), pero existen planes para construir 17 represas adicionales.

Procedimiento


Recolección y preparación de datos


Datos de entrada
Fuente
Precipitación promedio anual
a) Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM)
c) Datos del proyecto SO HYBAM
Evapotranspiración referencial anual
a) Derivado del Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer MODIS.
b) Calculado de evapotranspiración basado en datos de la temperatura de la superficie terrestre usando el modelo empírico de Hargreaves (Droogers and Allen, 2002) o Hamon (1961)
Temperatura de la superficie terrestre
a) Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer, MODIS con una resolución de 1km2
b) Base de datos climática de escala global
Cobertura presente (año 2013) y modelos futuros de cobertura del uso del suelo para los años 2020, 2050 y 2100
a) WCS-Ecuador
b) Instituto Geográfico Militar (IGM)
c) Ministerio del Ambiente (MAE)

Mapa de tipo de suelos
Ministerio de Agricultura, Ganadería, Acuacultura y Pesca (MAGAP)
Agua disponible para las plantas
Derivado del mapa de suelos dependiendo de las características físicas del tipo de suelo como textura y porosidad.
Profundidad de las raíces
Derivado de publicaciones, del tipo de suelo y del mapa de cobertura vegetal. 
Conductividad hidráulica del suelo
Derivado del mapa de tipo de suelos

Modelo de elevación digital
Instituto Geográfico Militar (IGM, 2015) con una resolución de 30 metros
Subcuencas
Se definen subcuencas a partir del modelo digital de elevación en formato shapefile
Datos de flujo del Río Napo
a)  Anuarios hidrológicos INAMHI
b) Proyecto SO HYBAM
Uso consuntivo de agua
Secretaría Nacional del Agua (SENAGUA)
Para la preparación de los datos recolectados se utilizará el software ArcGIS con el fin de disponer de imágenes en formato Raster y en formato Shapefile según requiere el modelo InVEST (Sharp et al., 2016).

Modelación en InVEST

Los datos climáticos y de uso de suelo se ingresan en el software InVEST y se correrá el modelo para determinar el rendimiento anual de agua

Calibración y validación del modelo

Se comparará el rendimiento promedio anual de agua simulado con el promedio anual de rendimiento de agua observado en 10 estaciones de medición (Estaciones hidrológicas) de la cuenca del Río Napo. Los datos mensuales de descarga de agua disponibles en las 10 estaciones de medición se calcularán como volumen por unidad de superficie al año. Se calculará el coeficiente de determinación (R2) en cada paso de la calibración comparando el rendimiento de agua en las estaciones de medición con los puntos de simulación 

Simulación de cambios de uso del suelo y variabilidad climática

Se usarán los escenarios climáticos de precipitación y temperatura para el siglo 21 desarrollados por el Ministerio del Ambiente.Se realizará un análisis de sensibilidad a factores climáticos como son la precipitación, temperatura y evapotranspiración; para ello se alterará gradualmente estas variables para evaluar la vulnerabilidad de la cuenca a los extremos climáticos. De la misma manera se evaluará la sensibilidad de la escasez de agua a los cambios de uso del suelo para analizar el impacto de las posibles opciones de manejo.

Resultados esperados:

En lo económico-social



Con la presente investigación se espera contribuir con información que permita hacer un uso más eficiente del suelo en la cuenca del río Napo ante escenarios de superávit o déficit hídrico. Esto es adaptando las principales actividades económicas a la disponibilidad de agua en la cuenca. La agricultura, la implementación de represas hidroeléctricas, el consumo humano, demandan de agua para su desarrollo. La provisión hídrica es un servicio ambiental que contribuye al bienestar de la sociedad, garantizando el desarrollo de la agricultura bajo riego, industria y consumo de la población.

En lo ambiental


Conocer y abordar la temática de provisión hídrica, como un servicio ambiental, y los impactos que genera los cambios en el uso del suelo y el cambio climático en la disponibilidad de agua. Se espera aportar con información a los gobiernos locales para la implementación de políticas ambientales que tengan como objetivo limitar y regularizar las prácticas económicas que puedan alterar el balance hídrico en la cuenca del río Napo.

En lo científico

Generar información hidrológica que hasta la actualidad ha sido inexistente en la cuenca del río Napo y en el país. Generar un artículo científico y publicarlo en revistas indexadas que contribuyan a mejorar los índices de investigación en el Ecuador.