ESTIMACIÓN DEL CAUDAL ECOLÓGICO POR LOS MÉTODOS 7Q10, Q 95% Y LOS FACTORES DE REDUCCIÓN DEL 25% EN EL RÍO OCOA, A PARTIR DE

LA GENERACIÓN DE CAUDALES DIARIOS UTILIZANDO EL MODELO AGREGADO DE TANQUES

ANDREA DEL PILAR CABRA SOTO MARÍA FERNANDA CORRADINE MOYANO

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL ESPECIALIZACIÓN EN RECURSOS HÍDRICOS

BOGOTÁ D.C. 2014

ESTIMACIÓN DEL CAUDAL ECOLÓGICO POR LOS MÉTODOS 7Q10, Q 95% Y LOS FACTORES DE REDUCCIÓN DEL 25% EN EL RÍO OCOA, A PARTIR DE

LA GENERACIÓN DE CAUDALES DIARIOS UTILIZANDO EL MODELO AGREGADO DE TANQUES

ANDREA DEL PILAR CABRA SOTO MARÍA FERNANDA CORRADINE MOYANO

Trabajo de grado para optar al título de Especialista en Recursos Hídricos

Director de Proyecto JORGE ALBERTO VALERO FANDIÑO

Ingeniero Civil, Msc

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL ESPECIALIZACIÓN EN INGENIERÍA DE PAVIMENTOS

BOGOTÁ D.C. 2014

Nota de aceptación ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________ Presidente del Jurado ______________________________________ Jurado ______________________________________ Jurado Bogotá D.C., mayo de 2014

Ofrecemos este trabajo a Dios, a nuestras familias y profesores. A la hidrología que ha sido un motor

de dedicación y de aprendizaje diario y nos lleva a nuevos retos personales y profesionales.

Las autoras.

AGRADECIMIENTOS

Las autoras de este proyecto expresan sus agradecimientos a: A Dios por permitirles alcanzar este logro. A sus familias por su apoyo incondicional. Al Ingeniero Jorge Valero por su respaldo, dedicación y excelente actitud en la realización de la especialización. A los docentes Nelson Obregón, Helmut Espinosa, Juan Carlos Penagos y Hugo Cañas por el tiempo dedicado y los conocimientos aportados durante la especialización A los Ingenieros Johana Cortes y Álvaro Gómez por los momentos compartidos y sus asesorías.

CONTENIDO

pág. INTRODUCCIÓN 16 1. OBJETIVOS 17 1.1 OBJETIVO GENERAL 17 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 17 2. ANTECEDENTES 18 2.1 CAUDAL ECOLÓGICO 18 2.2 METODOLOGÍAS HIDROLÓGICAS 18 2.3 MODELO DE TANQUES 19 3. DESCRIPCIÓN DEL MODELO HIDROLÓGICO PARA LA

ESTIMACIÓN DEL CAUDAL ECOLÓGICO 21 3.1 MODELO AGREGADO DE TANQUES 21 3.1.1 Tanque 1 (T1): Almacenamiento capilar 22 3.1.2 Tanque 2 (T2): Almacenamiento de flujo superficial 24 3.1.3 Tanque 3 (T3): Almacenamiento del flujo subsuperficial 25 3.1.4 Tanque 4 (T4): Almacenamiento del flujo subterráneo 26 3.1.5 Datos de entrada del modelo 26 4. LOCALIZACIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO 29 5. CUENCA HIDROGRÁFICA RÍO OCOA 31 5.1 MODELO DE ELEVACIÓN DIGITAL 31 5.2 ANÁLISIS MORFOMÉTRICOS DE LA CUENCA DEL RÍO OCOA 34 5.2.1 Área (A) 34 5.2.2 Forma de la cuenca 35 5.2.3 Características del drenaje 36 5.2.4 Relieve 40 6. METODOLOGÍA 44 6.1 RECOPILACIÓN DE DATOS HIDROMETEOROLÓGICOS 44 6.2 SELECCIÓN DE LAS ESTACIONES METEOROLÓGICAS 44 6.3 PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN 47 6.3.1 Análisis de consistencia de datos 47 6.3.2 Homogeneidad de las series del entorno 50 6.3.3 Registros faltantes 51 6.3.4 Correlación de las estaciones de precipitación con las de Caudal 53 6.3.5 Calibración del modelo 55 6.3.6 Extensión de la serie de caudales medios diarios al sitio de Interés 61

pág. 7. OFERTA HÍDRICA – CAUDAL ECOLÓGICO 70 7.1 REGIMEN HIDROLÓGICO 70 7.1.1 Caudales mínimos 71 7.1.2 Caudales ecológicos 74 8. CONCLUSIONES 82 9. RECOMENDACIONES 83 BIBLIOGRAFÍA 84 ANEXOS 86

LISTA DE TABLAS

pág. Tabla 1. Intervalos de variación de los parámetros hidráulicos del

modelo 27 Tabla 2. Rango de variación de otros parámetros del modelo de

tanques 28 Tabla 3. Clasificación de las cuencas según su área de drenaje 34 Tabla 4. Clasificación de la cuenca del Río Ocoa según su Área de

drenaje 35 Tabla 5. Clasificación según rangos del coeficiente de compacidad 35 Tabla 6. Coeficiente de compacidad y torrencialidad del río Ocoa 35 Tabla 7. Formas de las cuencas para definir su tendencia a las

crecidas 36 Tabla 8. Forma del río Ocoa para definir su tendencia a las crecidas 36 Tabla 9. Clasificación de las densidades de drenaje según la etapa del

río 38 Tabla 10. Clasificación de la sinuosidad de las corrientes 38 Tabla 11. Sinuosidad de la corriente del río Ocoa 39 Tabla 12. Pendiente media de la corriente principal del río Ocoa 43 Tabla 13. Tiempo de concentración cuenca río Ocoa 43 Tabla 14. Periodo de registro de las estaciones hidrometeorológicas 46 Tabla 15. Estaciones seleccionadas 46 Tabla 16. Valores de Correlación de las estaciones de lluvia caudal 53 Tabla 17. Resultados de Calibración del Modelo 55 Tabla 18. Caudales característicos (m³/s) en la estación Puente El Amor 58 Tabla 19. Valores atípicos detectados fuera de rango 61 Tabla 20. Caudales medios del río Ocoa 70 Tabla 21. Caudales diarios mínimos para diferentes períodos de retorno 71 Tabla 22. Caudales característicos (m³/s) Semanales 7Q10 75 Tabla 23. Ajustes de probabilidad de los valores estimados de 7Q10 76 Tabla 24. Caudales diarios característicos (m³/s) Q95% 79 Tabla 25. Caudales medios mensuales multianuales en el río Ocoa 80 Tabla 26. Factores de Reducción aplicado a la corriente río Ocoa 80 Tabla 27. Caudal ambiental estimado en el río Ocoa 81

LISTA DE FIGURAS

pág. Figura 1. Representación conceptual del modelo de tanques 21 Figura 2. Localización del Área de Estudio 29 Figura 3. Modelo de elevación digital 32 Figura 4. Proceso para delimitación de la cuenca del río Ocoa 33 Figura 5. Densidad de drenaje cuenca río Ocoa 37 Figura6. Río Ocoa meandriforme unicanal 39 Figura 7. Curva hipsométrica Cuenca río Ocoa en fase de madurez 41 Figura 8. Hipsometría de la cuenca del río Ocoa 42 Figura 9. Distribución de las estaciones hidrometeorológicas 47 Figura 10. Consistencia de datos hidroclimáticos 49 Figura 11. Curva de dobles masas (la homogeneidad de las series) 51 Figura 12. Distribución espacial de la precipitación 53 Figura 13. Correlaciones lineales entre las estaciones de lluvia Caudal 54 Figura 14. Caudales simulados vs. caudales observados 58 Figura 15. Curva de duración de caudales simulados y observados 59 Figura 16. Serie histórica y flujo base estimado mediante el modelo de

tanques 60 Figura 17. Comparación entre ciclo anual del flujo base y la serie

histórica 60 Figura18. Puntos de control definido en el estudio 64 Figura 19. Valores atípicos detectados en el sitio de interés 64 Figura 20. Valores atípicos detectados para el año 2001 65 Figura 21. Valores atípicos detectados para el año 2002 65 Figura 22. Valores atípicos detectados para el año 2003 65 Figura 23. Valores atípicos detectados para el año 2004 66 Figura 24. Valores atípicos detectados para el año 2005 66 Figura 25. Valores atípicos detectados para el año 2006 67 Figura 26. Valores atípicos detectados para el año 2007 67 Figura 27. Valores atípicos detectados para el año 2008 68 Figura 28. Valores atípicos detectados para el año 2009 68 Figura 29. Valores atípicos detectados para el año 2010 69 Figura 30. Diagrama de cajas de caudales medios diarios caudales del

río Ocoa 70 Figura 31. Régimen de caudales del río Ocoa 71 Figura 32. Comparación de las funciones de probabilidad de Caudales

mínimos río Ocoa 72 Figura 33. Probabilidad de ocurrencia de caudales mínimos río Ocoa por

el método Log Pearson Tipo 3 72 Figura 34. Probabilidad de ocurrencia de caudales mínimos río Ocoa por

el método Exponencial 73

pág. Figura 35. Probabilidad de ocurrencia de caudales mínimos río Ocoa por

el método Gumbel 73 Figura 36. Probabilidad de ocurrencia de caudales mínimos río Ocoa por

el método Normal 74 Figura 37. Probabilidad de ocurrencia de caudales mínimos río Ocoa por

el método Gamma 74 Figura 38. Serie semanal de excedencias río Ocoa, 7Q10 75 Figura 39. Comparación de probabilidades de caudales 7Q10 por el

método Exponencial 76 Figura 40. Comparación de probabilidades de caudales 7Q10 por el

método Log Pearson Tipo 3 77 Figura 41. Comparación de probabilidades de caudales 7Q10 por el

método Pareto 77 Figura 42. Comparación de probabilidades de caudales 7Q10 por el

método Log normal 78 Figura 43. Comparación de probabilidades de caudales 7Q10 78 Figura 44. Curva de duración de caudales Q95% 79 Figura 45. Caudales medios mensuales multianuales en el río Ocoa 80

LISTA DE ANEXOS

pág. Anexo A. Información series del IDEAM 86 Anexo B. Resultados del modelo de tanques 480 Anexo C. Series sintéticas generadas en el sitio de interés 549

GLOSARIO AFLUENTE: curso de agua que desemboca en un curso de agua mayor o un lago. AGUA SUPERFICIAL: agua que fluye o se almacena en la superficie del terreno. ANÁLISIS DE LA FRECUENCIA: la magnitud de un evento extremo esta inversamente relacionada con su frecuencia de ocurrencia, es decir, eventos muy severos ocurren con menor frecuencia que eventos más moderados. El objetivo del análisis de frecuencia de información hidrológica es relacionar la magnitud de los eventos extremos con su frecuencia de ocurrencia mediante el uso de distribuciones de probabilidad. ÁREA DE LA CUENCA:está definida el área plana (proyección horizontal) incluida entre su divisoria topográfica. CAUDAL: volumen de escorrentía superficial por unidad de tiempo, Q=V/t, es la principal variable que caracteriza la escorrentía superficial; se expresa en m3/s o l/s. CAUDAL AMBIENTAL O ECOLÓGICO:corresponde a la provisión de agua en los ríos y sistemas asociados de suficiente calidad, cantidad, duración y estacionalidad, para mantener los ecosistemas acuáticos y los humedales. CICLO HIDROLÓGICO: sucesión de fases por las que pasa el agua en su movimiento por la atmosfera a la tierra y en su retorno a la misma: evaporación del agua del suelo, del mar y de las aguas continentales, condensación en forma de nubes, precipitación, acumulación en el suelo o en masas de agua y reevaporación. CLIMA: es un conjunto fluctuante de las condiciones atmosféricas, caracterizado por los estados y evoluciones del estado del tiempo, durante un periodo de tiempo y en un lugar o región dada, y controlado por los denominados factores forzantes, factores determinantes y por la interacción entre los diferentes componentes del denominado sistema climático (atmósfera, hidrosfera, litosfera, criosfera, biosfera y tropósfera). COEFICIENTE DE INFILTRACIÓN: relación entre la velocidad de infiltración y la intensidad de la lluvia. CONFLUENCIA:unión o punto de unión de dos o más cursos de agua. CURVA DE DURACIÓN DE CAUDALES: se da el nombre de curva de duración o de permanencia de caudales a la representación gráfica en orden decreciente de los caudales observados, duración normalmente expresada en porcentaje.

EFLUENTE: derivación de un curso de agua principal o de un lago. EROSIÓN: desgaste y transporte de los suelos o rocas por el paso de corrientes de agua, glaciares, vientos u olas. ESCORRENTÍA: la escorrentía superficial comprende el exceso de la precipitación que ocurre después de una lluvia intensa y se mueve libremente por la superficie del terreno, y la escorrentía de una corriente de agua, que puede ser alimentada tanto por exceso de precipitación como por las aguas subterráneas. ESTACIÓN LIMNIGRÁFICA:para el registro permanente de niveles se ha diseñado mundialmente equipos automáticos denominados limnígrafos, los cuales para su operación y protección van instalados en estructuras metálicas y de concreto. ESTACIÓN LIMNIMÉTRICA: medición de niveles de agua de un río, lago o quebrada; la toma de datos se realiza mediante lectura de instrumentos por parte de un observador en horas fijas, establecidas por normas internacionales dictadas por la Organización Meteorológica Mundial – OMM, con el propósito de estandarizar estadísticamente el origen de las series históricas y los procedimientos para el manejo de las mismas. ESTACIÓN METEOROLÓGICA: es el sitio donde se hacen observaciones y mediciones puntuales de los diferentes parámetros meteorológicos usando instrumentos apropiados, con el fin de establecer el comportamiento atmosférico en las diferentes zonas del territorio. EVAPORACIÓN: emisión de vapor de agua por una superficie libre a temperatura inferior a su punto de ebullición. EVAPOTRANSPIRACIÓN:cantidad de agua transferida del suelo a la atmosfera por evaporación y por la transpiración de las plantas. EVAPOTRANSPIRACIÓN POTENCIAL:es un importante elemento del balance hídrico por cuanto determina las pérdidas de agua desde una superficie del suelo. FLUJO DE BASE:el flujo con pocas variaciones en los periodos sin lluvias. FLUJO SUBSUPERFICIAL: es una la parte del agua de precipitación que se infiltra y escurre cerca de la superficie del suelo y más o menos paralelamente a él. HIDROGRAMAS: es una gráfica que muestra la rata de flujo como función del tiempo en un lugar dado de la corriente.

HIDROLOGÍA: ciencia que estudia las aguas superficiales y subterráneas de la tierra, su aparición, circulación y distribución, tanto en el tiempo como en el espacio, sus propiedades biológicas, químicas y físicas, y sus relaciones con el entorno, incluida su relación con los seres vivos. (Organización Meteorológica Mundial, 2012) INFILTRACIÓN: es el proceso mediante el cual el agua penetra desde la superficie del terreno hacia el suelo. INTERFLUJO: también denominado flujo hipodérmico. Parte de la precipitación que no se ha filtrado hasta el nivel freático, pero que se descarga como flujo subsuperficial en los cursos de agua. Es el flujo de agua desde zonas de saturación temporales que circula a través de los estratos superiores de una formación geológica a una velocidad muy superior a la escorrentía subterránea normal. LLUVIA:agregado de partículas acuosas, liquidas o sólidas, cristalizadas o amorfas, que caen de una nube o grupo de nubes y alcanzan el suelo. PERCOLACIÓN:flujo de líquido a través de un medio poroso, por ejemplo de agua en el suelo, bajo la acción de gradientes hidráulicos moderados; principalmente es un flujo debido a la acción de la gravedad. PERÍODO DE RETORNO:el número de años en que, en promedio, se presenta un evento. RÉGIMEN HIDROLÓGICO:variaciones del estado y de las características de una masa de agua que se repiten de forma regular en el tiempo y en el espacio y que muestran patrones estaciones o de otros tipos.

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INTRODUCCIÓN El concepto de caudal ecológico ha surgido a partir de la inquietud de definir un caudal mínimo que garantice condiciones de calidad, duración y estacionalidad para mantener los ecosistemas acuáticos y los humedales garantizando su funcionamiento. El caudal ecológico o ambiental ha sido altamente estudiado y por ello se logra identificar que existen múltiples metodologías para su definición, desde la hidrología, la hidráulica hasta los enfoques ecológicos que incluyen criterios de calidad del agua y parámetros hidrobiológicos. Para la definición del caudal ecológico en el presente estudio, se tuvo en cuenta la metodología hidrológica que se basa en el análisis y procesamiento de datos históricos hidrológicos a partir de índices. Se adoptó el índice 7Q10, ya que no se contaba con información de caudales medios mínimos diarios (frente a este vacío de información, se tuvo en cuenta las recomendaciones del Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible que propone estimarlo a partir de los datos medios diarios). La siguiente metodología adoptada es la denominada Q95%, que corresponde al caudal igualado o excedido el 95% del tiempo a partir de la construcción de una curva de duración de caudales medios diarios. Finalmente se evaluó la cuenca a partir de la propuesta planteada por el Instituto de Hidrología Meteorología y Estudios Ambientales, que consiste en aplicar factores de reducción del 25% de calidad y otro 25% por el caudal Ambiental, del mes más crítico de una serie mensual multianual para la obtención del índice de escasez. El estudio se desarrolló en la cuenca del río Ocoa, localizada en el municipio de Villavicencio, departamento del Meta. Se generaron series sintéticas y se calibró el modelo en la estación limnimétrica Puente El Amor que registra caudales en la cabecera de la corriente. Una vez calibrado el modelo se extendieron los caudales hasta el sitio de interés (aguas abajo) en la Inspección de Policía Alto Pompeya en el mismo municipio. La herramienta utilizada, en la generación de series de caudal, es un modelo hidrológico agregado de tanques, adaptado por la Universidad Nacional de Colombia en su sede de Medellín del modelo TETIS, el cual consiste en estimar la producción de la escorrentía superficial en una cuenca mediante cuatro tanques interconectados entre sí, los cuales representan diferentes componentes de la fase terrestre del ciclo hidrológico tales como: almacenamiento capilar, flujo superficial, flujo sub superficial y flujo subterráneo.

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1. OBJETIVOS 1.1 OBJETIVO GENERAL Estimar el caudal ecológico por los métodos 7Q10, Q95% y los factores de reducción del 25% en el río Ocoa a la altura de la inspección de policía Alto Pompeya, en el municipio de Villavicencio departamento del Meta, a partir de la generación de caudales diarios mediante la aplicación del modelo agregado de tanques. 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS • Realizar la simulación de caudales utilizando el modelo de tanques, para estimar la oferta hídrica de la cuenca del río Ocoa hasta la inspección de policía del Alto Pompeya. • Describir los diferentes variables del modelo, como son el almacenamiento capilar, el flujo capilar, el flujo subsuperficial y flujo subterráneo que conforman el almacenamiento dentro del análisis hidrológico de la cuenca. • Realizar la calibración del modelo con la información de caudales registrada en la estación Puente El Amor • Estimar el caudal ecológico por medio de los métodos 7Q10, Q95% de la curva de duración de caudales diarios y los factores de reducción del 25% del caudal medio multianual más bajo.

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2. ANTECEDENTES 2.1 CAUDAL ECOLÓGICO La visión, así como la definición de caudal ecológico, ha cambiado a lo largo del tiempo; inicialmente (años 70), el concepto estaba fundamentado en un caudal mínimo fijo en el tiempo; posteriormente se planteó la tesis que este caudal debería calcularse a partir de las variaciones climáticas locales de la red de drenaje, en años siguientes el caudal ecológico o ambiental estaba más relacionado con los cambios en el hábitat y las funciones ecológicas del sistema hídrico y finalmente, los enfoques más recientes plantean la necesidad de mantener un buen estado ecológico del sistema, llegando a incorporar la restauración en los planes de manejo1. Se han planteado una gran variedad de metodologías, las cuales han sido clasificadas2 en cuatro grandes grupos: Metodologías de tipo Hidrológico; Metodologías de tipo hidrológico e hidráulico con enfoque ecológico; Metodologías de simulación de hábitat fluvial y Metodologías holísticas o funcionales. Adicionalmente se presenta una nueva categoría la cual incluye el componente de calidad del agua. 2.2 METODOLOGÍAS HIDROLÓGICAS Las metodologías con enfoques hidrológicos se fundamentan en el procesamiento de datos hidrológicos, basándose en la premisa que los ecosistemas se han adaptado a las variaciones naturales del régimen hídrico y a sus tendencias históricas3, es así como posterior a un estudio hidrológico del régimen de caudales ambientales, es posible identificar un caudal básico sobre el cual los procesos ecosistémicos acuáticos de la corriente pueden ser mantenidos y preservados. Estos métodos son de los más utilizados por su facilidad de aplicación. En Colombia el Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible y el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales - IDEAM han adaptado este tipo de metodologías; una de ellas consta de realizar la estimación de un caudal ecológicos constante, que sea igual a un porcentaje de descuento del 25% del caudal medio mensual multianual más bajo registrado en la corriente objeto de estudio; otra metodología consiste en estimar un caudal ecológico constante, definido como el caudal promedio multianual de mínimo 5 a máximo 10 años que permanece el 97.5% del tiempo y cuyo periodo de recurrencia es de 2.33 años.4 1 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Propuesta metodológica preliminar para la estimación del caudal ambiental en proyectos licenciados por el Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible (MADS). Bogotá: UNAL, 2014. p. 30. 2 KARIM K., G. M. Review of determination of instream flow requirements with special application to Australia. Sidney: Water Resour Bull, 1995. p. 1.063. 3 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Op. Cit., p. 31. 4 Ibíd., p. 32.

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El método 7Q10 fue propuesto por Chiang5, el cual es calculado a partir de caudales medios mínimos diarios, en Colombia el Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible a propuesto realizar este cálculo con datos de caudales medios diarios, teniendo en cuenta las falencias de información que se presentan en el país; para su cálculo se aplica un promedio móvil de ventana 7 días para estimar el caudal promedio semanal y luego construir la serie anual de excedencias con los registros mínimos semanales de cada año. Seguidamente, realizar el análisis de frecuencias de evento mínimo extremo para la serie anual construidacon la distribución de probabilidad de mejor ajuste y seleccionar el caudal correspondiente al período de retorno de 10 años, que resulta ser el 7Q10. Por otro lado, el cálculo del Q95% usualmente se ha propuesto en la literatura realizarlo a partir de la totalidad del registro histórico diario (caso de la mayoría de las metodologías que adoptan este índice), o calcularlo mes a mes, como lo propone el método del Northern Great Plains Resource Program6 (NGPRP); en la propuesta aquí presentada, se sugiere adoptar el método NGPRP, con una variación, que incluye el cálculo del índice Q95% a partir de la construcción de las curvas de duración de caudales (CDC) medios diarios (para meses de enero a diciembre). Finalmente a través de la metodología propuesta por el IDEAM mediante resolución 0864 de 2004 de Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible, se propone el cálculo de factores de reducción por calidad del agua del 25% y otro 25% del caudal ambiental en el mes más bajo del promedio mensual multianual; con éste se valida una oferta neta de la corriente y no presentar conflictos de uso del recurso en periodos de estiaje. 2.3 MODELO DE TANQUES El modelo TETIS, presentado por Vélez7 como modelo LU3, es un modelo hidrológico de tipo conceptual que se basa en el concepto de lluvia-escorrentía tipo tanque; divide en celdas rectangulares la cuenca, interconectándolas entre sí, siguiendo la red de drenaje y en cada una de ellas puede simular continuamente los principales componentes del ciclo hidrológico. A partir de este modelo, La Universidad Nacional de Colombia ha realizado la adaptación del modelo TETIS, mediante el cual la producción de la escorrentía superficial en una cuenca es representada en cuatro tanques o niveles de 5 CHIANG SL, J. F. Propuesta metodológica preliminar para la estimación del caudal ambiental en proyecto licenciado por el Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible. Bogotá: Universidad Nacional de Colombia, 1976. p. 30. 6 NGPRP. Northern Great Plains Resource Program: Instream needs subgroup report. Netherland: SWork Group C report, 1974. p. 89. 7 VÉLEZ, Frances F., y VÉLEZ, JJ. Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Punta de Este, Uruguay: AIIH, 2007. p. 56.

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almacenamiento conectados entre sí: tanque de almacenamiento capilar; tanque de almacenamiento de flujo superficial; tanque de almacenamiento de flujo subsuperficial y almacenamiento de flujo subterráneo. Para la validación del modelo, se aplicó a 48 cuencas en Colombia, con diferentes condiciones hidroclimáticas y morfológicas, con áreas de drenaje desde 4 km2 hasta cuencas que superan los 2800 km2, así mismo fue aplicado en regiones con precipitaciones medias que varían desde los 808 mm/años hasta 4747 mm/año, y con series observadas con longitudes de registros diarios que van desde 3 año hasta 55 años, obteniéndose resultados bastante satisfactorios.8 Es importante mencionar que para el cálculo de caudales diarios se utilizó una hoja de cálculo programada en Excel del modelo y fue suministrada por el profesor asociado de la Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín, el Ingeniero Carlos Restrepo Vélez.

8 VÉLEZ, C. Aplicaciones de un modelo hidrológico agregado en Colombia. Medellín: Universidad Nacional de Colombia sede Medellín, 2010. p. 63.

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3. DESCRIPCIÓN DEL MODELO HIDROLÓGICO PARA LA ESTIMACIÓN DEL CAUDAL ECOLÓGICO

3.1 MODELO AGREGADO DE TANQUES Es un modelo hidrológico agregado de lluvia-escorrentía, basado del modelo TETIS, adaptación realizada por la Universidad Nacional de Colombia sede Medellín.9 En él, la producción de escorrentía superficial en una cuenca es simbolizada por cuatro tanques o niveles de almacenamiento conectados entre sí, como se puede observar en la Figura 1.

Figura 1. Representación conceptual del modelo de tanques.

Fuente: VÉLEZ, C. Aplicaciones de un modelo hidrológico agregado en Colombia. Medellín: Universidad Nacional de Colombia sede Medellín, 2010. p. 65. En cada intervalo de tiempo, la precipitación (X1), se distribuye a los distintos almacenamientos, donde en función del volumen almacenado en cada uno de ellos (Hi), se determina su contribución a la escorrentía (Yi). El modelo realiza el balance de agua en cada tanque y actualiza los volúmenes almacenados en cada uno.

9 VÉLEZ, Frances F., y VÉLEZ, JJ. Op. Cit., p. 58.

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De acuerdo con la configuración del modelo, la precipitación (X1), se estima según los registros diarios de las estaciones más cercanas, empleando un método de interpolación espacial. La cantidad de agua que se deriva en cada nodo (Di) y la que continua hacia los niveles más inferiores (Xi), por el conducto distribuidor, depende de la cantidad de agua disponible, el estado de almacenamiento del tanque y de la capacidad del conducto distribuidor aguas abajo del nodo, la cual se puede relacionar con la conductividad hidráulica del subsuelo. La descarga (Yi), en cada uno de los tanques está en función del volumen almacenado y de las características de la cuenca que se pueden asociar con el tiempo de permanencia del agua en un elemento de almacenamiento temporal. 3.1.1 Tanque 1 (T1): Almacenamiento capilar.10 El almacenamiento capilar en el suelo, representa el agua que transita por la cuenca y que sólo sale de ella por evapotranspiración, por lo tanto no hace parte de la escorrentía. Este almacenamiento se refiere a la interceptación, la detención de agua en charcos y el agua que se retiene en el suelo debido a fuerzas capilares. De acuerdo con la configuración del modelo, la precipitación X1 se estima según los registros de las estaciones más cercanas, empleando un método de interpolación espacial.11 El valor obtenido de lluvia entra a un conducto del que se deriva una cantidad D1 para el almacenamiento o tanque T1. La capacidad máxima ( Hu ) se supone igual a la suma de la capacidad de almacenamiento de “agua útil” en el suelo y la capacidad de la cobertura de la superficie para almacenar agua. La capacidad de almacenamiento de “agua útil” está relacionada con la cantidad de agua que hay que agregar a una columna de suelo muy seco hasta alcanzar el mayor almacenamiento capilar posible sin que el agua fluya por la acción de la gravedad. La capacidad de la cobertura de la superficie por lo general está relacionada con la cobertura vegetal. La cantidad de agua que se deriva D1 y entra al almacenamiento estático, corresponde de una forma muy elemental; al mínimo entre el agua existente en el conducto distribuidor ( 1X ), el que se requiere para llenar el tanque de almacenamiento capilar ( 1HHu − ), y el máximo ( Hu ) que puede ingresar al suelo durante un intervalo de tiempo. Así, a menos que se llene el almacenamiento capilar, no se deja pasar nada a la escorrentía. En la realidad puede haber escorrentía sin que necesariamente se haya llenado el almacenamiento capilar en el suelo. Entonces se utiliza un

10 VÉLEZ, C. Aplicaciones de un modelo hidrológico agregado en Colombia. Op. cit., p. 65. 11 VÉLEZ, Frances F., y VÉLEZ, JJ. Op. Cit., p. 59.

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coeficiente ϕ para lograr que la cantidad de agua que se deje pasar corresponda a una fracción de la lluvia que está relacionada con el estado del almacenamiento capilar tal que, cuando este almacenamiento esté muy lleno deje pasar mucho, y cuando está muy vacío deje pasar poco. En este caso D1 corresponde a:

{ }111 , HHuXMinD −= ϕ [1] a

HuH

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−= 11ϕ

[2] Este esquema ha sido utilizado por varios modelos conceptuales agregados. Es el caso del modelo HBV (Bergström, 1995)en el que a puede tomar valores entre 1 y 3 y es un parámetro que define el analista. Otro caso es el de los modelos GR-3J y GR-3H (Arnaud, 1996) en los que a es igual a 2. La cantidad de agua que representa la evapotranspiración 1Y es función del agua disponible en el tanque 1H y la evapotranspiración real ETR . La ETR depende de la cantidad de agua disponible, así cuando hay déficit de agua en el suelo la evapotranspiración es menor que la evapotranspiración potencial ETP . Varios autores han utilizado una expresión en la que se obtiene un estimado de la evaporación real a partir de la evapotranspiración potencial y de la relación entre la humedad del suelo y la humedad del suelo a la capacidad de campo. En el modelo, la relación entre la humedad del suelo y la capacidad de campo equivale a la relación entre el agua que se encuentra en el almacenamiento estático y la capacidad máxima para ese almacenamiento, así:

b

HuH

ETPY ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛= 11 .

[3] En los modelos GR-2 y GR-3 del CEMAGREF (Michel, 1989) se utiliza una expresión muy similar a la anterior y el parámetro b tiene un valor de 0.5. Igualmente el modelo HBV (Bergström, 1995) utiliza una expresión equivalente cuando 1=b . (Singh, 1975)obtienen buenos resultados con 7.0=b . Además, en el modelo se tiene en cuenta que el valor de la evapotranspiración real no puede ser mayor que el agua disponible para evaporación en este almacenamiento estático, así:

},.{ 11

1 HHuH

ETPMinYb

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

[4]

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Para estimar la evapotranspiración potencial se recomienda utilizar la ecuación de Turc Modificado. De acuerdo con lo propuesto en el modelo, el agua que no ingresa al almacenamiento estático T1, sigue su camino por la zona capilar del suelo hacia abajo.12

112 DXX −= [5] 3.1.2 Tanque 2 (T2): Almacenamiento de flujo superficial.13 En este almacenamiento se representa el agua que es susceptible a infiltrarse a un nivel inferior o que fluye por la ladera (escorrentía directa). Se supone que la capa superior del suelo tiene una conductividad hidráulica Ks representativa o característica y que se asocia al tipo de suelo y a su estructura, lo cual está relacionando la cobertura vegetal, el uso y manejo del suelo.14 Por lo tanto, la cantidad de agua que entra al almacenamiento T2, está relacionada con la capacidad del suelo para dejar pasar el agua a su interior Ks (una conductividad hidráulica de la capa superior del suelo asociada a la cobertura en condiciones de saturación) y con el flujo excedente del almacenamiento capilar X2 según la siguiente relación:

},0{ 22 tKsXMaxD Δ−= [6] Para el flujo superficial en la cuenca, suponiendo velocidad constante y aplicando la ecuación de continuidad, la escorrentía directa se puede representar mediante un embalse lineal:

22 HY ⋅= α . En donde el coeficiente de descarga α es función del tiempo de residencia del agua en el interior del suelo.

residenciadetiempo1

=α [7]

El agua que no ingresa al almacenamiento estático T2, sigue su camino por la zona capa superior del suelo hacia la capa inferior.

223 DXX −= [8]

12 Ibíd., p. 60. 13 VÉLEZ, C. Aplicaciones de un modelo hidrológico agregado en Colombia. Op. cit., p. 66. 14 VÉLEZ, Frances F., y VÉLEZ, JJ. Op. Cit., p. 61.

25

3.1.3 Tanque 3 (T3): Almacenamiento del flujo subsuperficial.15 Almacenamiento de agua gravitacional en la capa superior del suelo. Este almacenamiento representa al agua almacenada en la capa superior del suelo mientras fluye lentamente hacia la red de drenaje, se desarrolla inicialmente sobre una capa delgada que fluye lateralmente hacia abajo por el interior de esta capa hasta que sale a los elementos de la red de drenaje. De acuerdo con lo propuesto en el modelo, durante el intervalo de tiempo, se tiene una cantidad de agua16

gravitacional 3X que se mueve verticalmente hacia el interior del suelo. De esta cantidad, una parte 4X , podrá percolar o seguir hacia la zona inferior del suelo, mientras que el resto del agua se deriva al almacenamiento superior del suelo donde se convertirá en flujo subsuperficial. Se supone igualmente que la capa inferior del suelo tiene una capacidad de percolación representativa que se asocia al tipo de subsuelo y su estructura, lo cual está estrechamente relacionado con las características geológicas (litológicas y estructurales) y geomorfológicas de las capas inferiores del suelo. En algunos casos la capacidad de percolación y su variabilidad espacial se pueden inferir por características del relieve, algunos rasgos morfológicos, el desarrollo de la vegetación, el uso y manejo del suelo y la producción de flujo base aguas abajo. La cantidad de agua que ingresa al almacenamiento durante el intervalo de tiempo se puede asociar con el flujo excedente del almacenamiento del flujo superficial en

ladera 3X y la conductividad hidráulica en la capa inferior del suelo (subsuelo) en condiciones de saturación que se conoce como capacidad de percolación Kp y que se expresa:

},0{ 33 tKpXMaxD Δ−= [9] Para la producción de escorrentía subsuperficial en la ladera se hace una formulación análoga a la presentada en el almacenamiento T2 para obtener la siguiente relación lineal:

33 HY ⋅=α [10] Tanque 4 (T4): Almacenamiento del flujo subterráneo.17 Se representa por un tanque donde se considera el almacenamiento del agua gravitacional mientras fluye a través del interior del suelo hacia la red de drenaje,

15 VÉLEZ, C. Aplicaciones de un modelo hidrológico agregado en Colombia. Op. cit., p. 79. 16 VÉLEZ, Frances F., y VÉLEZ, JJ. Op. Cit., p. 64. 17 VÉLEZ, C. Aplicaciones de un modelo hidrológico agregado en Colombia. Op. cit., p. 81.

26

en lo que se podría considerar como el acuífero, y donde sale a formar el flujo base. El volumen de agua que durante el intervalo de tiempo ingresa por percolación 4X tiene la posibilidad de que una cantidad de agua siga hacia las pérdidas

subterráneas 5X y que el resto sea derivado hacia el almacenamiento subterráneo T4. La cantidad de agua que se deriva para el flujo subterráneo depende de la cantidad de agua que ha percolado y de la cantidad que pasa a las pérdidas.

},0{ 44 KppXMinD −= [11] Para la representación del flujo a través del almacenamiento subterráneo, se utiliza la ecuación de continuidad y una ecuación que relaciona la tasa de flujo que sale de este almacenamiento con la cantidad de agua almacenada:

44 HY ⋅= α [12] La importancia de la representación del flujo subterráneo en la modelación de crecidas está en reproducir adecuadamente las recesiones del flujo en los cauces y que esto sea coherente con el volumen de agua que ha ingresado al almacenamiento subterráneo. Finalmente el caudal promedio diario total en la cuenca para cada intervalo de tiempo es la suma del flujo producido en cada tanque o almacenamiento.

432 YYYQ ++= [13] La calidad de la información utilizada en el modelo, tanto para la calibración de los parámetros del modelo, como para la generación de series, repercute directamente en resultados acertados del modelo en cuencas donde no se cuente con registros históricos de caudal. Entre las variables de entrada que el modelo requiere se encuentran: Área, temperatura promedio, la precipitación diaria, caudal diario y elevación media. 3.1.5 Datos de entrada del modelo.18 La calidad de la información utilizada en el modelo, tanto para la calibración de los parámetros, como para la generación de series, repercute directamente en resultados acertados en cuencas donde no se cuente con registros históricos de caudal. Entre las variables de entrada que se

18 Ibíd., p. 83.

27

requiere se encuentran: área, temperatura promedio, la precipitación diaria, caudal diario, etc. • Puntos de control: Conociendo la ubicación del sitio de interés sobre la corriente, ya sea para calibración del modelo o para generación de series, con el programa Arcgis 10.1 en su extensión Arc hidrology, se obtuvo la estimación de la línea divisoria de las áreas de drenaje, así como el valor del área de la misma. • Para la calibración del modelo es necesario tener la serie de caudales diarios. • La selección de las series de precipitación utilizadas se basa en la ubicación de estas, próximas al sitio de interés. Tal y como está programado el modelo como mínimo se requiere una y como máximo cinco, aunque se podría simular con más estaciones. • Tomando como referencia los pisos térmicos propuestos por Caldas19 se adopta, para la cuenca del Río Ocoa una temperatura de 25.3° C correspondiente al piso térmico Cálido, ya que esta cuenca tiene alturas entre los 0 y 1000 m.s.n.m en más de 90% de área. • La Radiación Global Incidente Promedio, es tomada del Atlas Climatológico de Colombia20 con un valor de 508 (cal/cm2)/día, para el área de estudio. • Parámetros hidráulicos: En cuando a los parámetros hidráulicos se tienen el almacenamiento capilar del suelo, la conductividad del suelo en su capa superficial e inferior; el tiempo medio de residencia del flujo superficial, subterráneo y del flujo base. Cada uno de estos parámetros tiene un intervalo de variación, los cuales se han encontrado en trabajos anteriores21, éstos se muestran en la Tabla 1, aunque cabe señalar que son intervalos que se sugieren, pero pueden estar sujetos a cambios. Tabla 1. Intervalos de variación de los parámetros hidráulicos del modelo.

Parámetros Hidráulicos Mínimo Máximo Almacenamiento capilar (mm) 20 600

Conductividad capa superior (mm/día) 1 100 Conductividad capa inferior (mm/día) 0,01 10

Perdidas subterráneas (mm) 0 10 Tiempo medio de residencia flujo superficial (días) 1 10

19 CALDAS, L. C. Ecosistemas continentales, costeros y marinos de Colombia. Bogotá: IGAC, 1984. 397 p. 20 INSTITUTO DE HIDROLOGÍA, METEOROLOGÍA Y ESTUDIOS AMBIENTALES (IDEAM). Atlas Climatológico de Colombia. Bogotá: IDEAM, 2005. 216 p. 21 VÉLEZ, C. Aplicaciones de un modelo hidrológico agregado en Colombia. Op. cit., p. 86.

28

Parámetros Hidráulicos Mínimo Máximo Tiempo medio de residencia flujo subsuperficial (días) 1 10

Tiempo medio de residencia flujo base (días) 50 200 Fuente: VÉLEZ, C. Aplicaciones de un modelo hidrológico agregado en Colombia. Medellín: Universidad Nacional de Colombia sede Medellín, 2010. p. 87. • Las condiciones iniciales de almacenamiento de cada uno de los tanques, se obtienen conociendo las condiciones hidráulicas del terreno, la calidad y textura. Con estos tipos de suelos se dan unos valores iniciales que se refinan a medida que las colas de los datos históricos en las recesiones son similares a las simuladas. • Otros parámetros del modelo: Son los parámetros correspondientes a la evaporación real y a la infiltración de la cuenca: Exponente de infiltración y de evaporación. A diferencia de los parámetros hidráulicos de modelo, los exponentes de evaporación y de infiltración que se utilizan en las ecuaciones del modelo, si han sido explorados de manera más amplia por los diferentes autores y el rango de variación de cada uno de éstos no es tan amplio, tal como se observa en la Tabla 2, y de los cuales ya algunos autores recomiendan valores. De igual forma, los valores que se sugieren pueden estar sujetos a cambios de acuerdo al criterio de cada autor. Tabla 2. Rango de variación de otros parámetros del modelo de tanques.

Otros parámetros del modelo Mínimo Máximo Exponente infiltración (Se recomienda 2) 1 3

Exponente evaporación (Se recomienda 0.7) 0,25 1,5 Fuente: VÉLEZ, C. Aplicaciones de un modelo hidrológico agregado en Colombia. Medellín: Universidad Nacional de Colombia sede Medellín, 2010. p. 88. • Durante la simulación se debe tener en cuenta tanto la influencia de cada una de las estaciones de precipitación, como el valor de la precipitación media anual en la cuenca. En este caso se realizaron interpolaciones espaciales de la información total anual. • Para darle peso a cada una de las estaciones de precipitación, se buscan correlaciones lineales con la estación de caudal. El valor final se le da a la que tiene en cuenta que la lluvia que entra a la cuenca sea igual a la que se encuentra en la simulación en la ecuación del balance.

29

4. LOCALIZACIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO La cuenca del río Ocoa se encuentra localizada al noroccidente del departamento del Meta en el municipio de Villavicencio, entre zonas de piedemonte y llanuras del oriente de Colombia; drena en sentido oeste – este hasta su desembocadura sobre el río Guataquía. Limita al norte con el río Guataquía y al sur con la cuenca del río Guayuriba22 y tiene una área aproximada de 29.189,8 Ha (ver figura 2). El sitio donde se estimaron los caudales ecológicos, se localiza a la altura de la inspección de policía Alto Pompeya del municipio de Villavicencio. Figura 2. Localización del área de estudio.

Fuente: Autores (DEM ASTER de 30 mts 2012, Base IGAC esc: 100.00, 2012).

El río Ocoa es una cuenca estratégica para la sostenibilidad de Villavicencio, debido a los servicios ecosistémicos que le presta, como son el suministro de agua potable en la cabecera de sus afluentes, con una demanda por diversos acueductos veredales y municipales cercano a los 555,6 l/s, cultivos 360 l/s, pastos 460 l/s y la termoeléctrica 26 l/s. Sus afluentes y la parte media el río, recogen las aguas negras de Villavicencio, producto de los desechos de aguas domésticas, industriales, comerciales y de servicios como los lavaderos de carros. Debido a su doble y antagónico servicio de suministro y sumidero donde se vierten los desechos, alrededor de su cuenca, se desarrollan

22 ALCALDÍA DEL MUNICIPIO DE VILLAVICENCIO. Plan de ordenamiento territorial. Villavicencio: La Alcaldía, 2002. p. 12.

30

actividades económicas como la avicultura, porcicultura, ganadería, agricultura, turismo, piscicultura, la extracción de materiales aluviales, la pesca, la industria petrolera y hasta extracción maderera. El desarrollo desordenado de la ciudad y el aprovechamiento insostenible de la cuenca, se refleja en una problemática compleja, donde es evidente la contaminación de las aguas, las basuras, la invasión de las rondas del cauce, la deforestación, la erosión, las inundaciones, los incendios y la escasez de agua en el cauce. Lo anterior también se manifiesta en la pérdida de biodiversidad de la cuenca, tanto florística (con bosques altamente intervenidos y con pocas especies vegetales en estado adulto) como faunística cuyos, escasos estudios, hacen mención de algunas especies de mamíferos, aves, reptiles, anfibios y peces.23

23 Ibíd., p. 13.

31

5. CUENCA HIDROGRÁFICA RÍO OCOA El decreto 1640 de 2012 del Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible24 define la cuenca u hoya hidrográfica como el área de aguas superficiales o subterráneas que vierten a una red hidrográfica natural con uno o varios cauces naturales, de caudal continuo o intermitente, que confluyen en un curso mayor que, a su vez, puede desembocar en un río principal, en un depósito natural de aguas, en un pantano o directamente en el mar. De acuerdo con esta definición el río Ocoa es de orden cuatro; drena a la subzona hidrográfica del río Guatiquía, posteriormente a la zona hidrográfica del Meta y finalmente al área hidrográfica del Orinoco. 5.1 MODELO DE ELEVACIÓN DIGITAL Para la delimitación topográfica de la cuenca se utilizó el modelo digital de elevación de 30 m, el cual corresponde a una representación visual y matemática de los valores de altura con respecto al nivel medio del mar y caracteriza las formas del relieve y los elementos u objetos presentes en el mismo. Estos valores están contenidos en un archivo de tipo raster con estructura regular, que permite, a través de un programa, definir las áreas aferentes según el interés del usuario y la escala de trabajo La malla de un MDE queda determinada por las coordenadas de su esquina inferior izquierda y la longitud de los lados de sus píxeles (tamaño de los píxeles en ambas direcciones del sistema de coordenadas usado); a esta esquina de referencia se le llama origen y a la longitud de los píxeles se le llama la resolución. Para este estudio se trabajó con una malla de 30 m en coordenadas planas considerando que es la información de menor escala que se puede obtener. El MDE utilizado proviene de productos obtenidos por agencias internacionales a través de misiones satelitales, entre las que cabe destacar las misiones SRTM (Shuttle Radar Topography Misión) y ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer), que ofrecen productos gratuitos con resoluciones de 90 m y 30 m respectivamente, y cubren la totalidad del territorio colombiano. El sistema coordenado seleccionado para la representación del MDE corresponde al MAGNA SIRGAS origen Bogotá. Para el trazado de la cuenca hidrográfica y la obtención de sus parámetros morfométricos, se utilizó la extensión Arc Hidrology tools de ARC GIS. En la figura 3 se aprecia el proceso metodológico para la obtención de la cuenca del río Ocoa y el modelo de elevación digital Utilizado en la Figura 4.

24 COLOMBA. Ministerio Ambiente y Desarrollo Sostenible. Decreto 1640 (2, agosto, 2012), por medio del cual se reglamentan los instrumentos para la planificación, ordenación y manejo de cuencas hidrográficas y acuíferos, y se dictan otras disposiciones.

32

Figura 3. Modelo de elevación digital.

Fuente: Autores (DEM ASTER de 30 mts 2012, Base IGAC esc: 100.00, 2012).

Figura 4. Proceso para delimitación de la cuenca del río Ocoa.

PROCESO FLUJO DE INFORMACION O PROCESO

DECISIÓN BASE DE DATOSO

BTEC

IÓN

DAT

OS

PRO

CES

O D

E D

ELIM

ITAC

ION

CartografÍa Básica

Almacenamiento de la base

RED HIDRICACURVAS DE NIVEL

LIMITESIMAGEN

SIG Y CARTOGRAFIA

REQURIMIENTO IGAC IDEAM

PLANEACION Y ORGANIZACION DE DATOS

VERIFICACION Y

APROBACIÓN

NO

SI

VALIDACION

DEM ASTER 2012

DEM ASTER 2012ACONDICIONADO

LLENADO

QUEMADO

DIRECCIÓN DE FLUJOS

FLUJOS DE ACUMULACIÓN

DIRECCIÓN DE CORREINTES

ORDEN DRENAJES

PUNTOS DE CONTROL

APROBACION Y

VERIFICACION

SI

NO

DELINEACION AREAS AFERENTES

REVISION

SI

PLANO DE CUENCAS

Fuente: ARCGIS RESOURCE CENTER. Calculating flow acumulation. [En línea]. Disponible en Internet: . [Citado: 13 de noviembre de 2013].

34

5.2 ANÁLISIS MORFOMÉTRICOS DE LA CUENCA DEL RÍO OCOA El sistema de drenaje de una cuenca hidrográfica responde en forma dinámica a un conjunto de factores ambientales que determinan su régimen fluvial, los cuales corresponden a variables independientes (geología, clima, relieve, uso del suelo, permeabilidad, etc.), para controlar variables dependientes (caudal líquido, carga de sedimentos y pendiente del cauce); estas últimas determinan a su vez las características morfológicas de los cauces.25 A medida que se aumenta el caudal, las corrientes aumentan su longitud de onda. De esta manera, el caudal determina la magnitud de la morfología de los cauces. Es por esto que en este estudio se presentan el análisis de área, la longitud de corriente principal, el perímetro, la densidad de drenaje, el patrón de drenaje, el coeficiente de compacidad, el relieve, las pendientes y tiempo de concentración, parámetros fundamentales para documentar la analogía y establecer relaciones hidrológicas. Éstos se expresan en términos numéricos, valores medios, característicos de paisajes.26 A continuación se describen las características morfométricas en la cuenca del río Ocoa hasta el cierre de la misma. 5.2.1 Área (A). El área de la cuenca se define como la superficie en proyección horizontal delimitada por la divisoria de aguas o parteaguas de toda la superficie de drenaje en un sistema de escorrentía dirigido directa o indirectamente a un mismo cauce natural.27 El área de la cuenca es la característica morfológica más importante al ser un valor que aplica para una misma región hidrológica o regiones similares, de manera que se podría afirmar que a mayor área mayor caudal medio (ver clasificación en la Tabla 3 y sus resultados en la Tabla 4). Tabla 3. Clasificación de las cuencas según su área de drenaje.

Denominación Rangos Microcuencas ≤ 10.000 (ha)

Cuenca Pequeña >10.000 ha < 100.000 ha Cuenca Mediana > 100.00 ha ≤ 500.000 ha Cuenca Grande > 500.00 ha ≤ 1.000.000 ha

Cuenca Muy Grande > 1.000.000 ha Fuente: SÁNCHEZ, L. C. Cuenca hidrográficas: bases conceptuales, caracterización, planificación y administración. Ibagué: Universidad del Tolima, 2001. p. 32.

25 RODRÍGUEZ, D. Hidráulica fluvial: fundamentos y aplicaciones de socavación. Bogotá: Escuela Colombiana de Ingeniería, 2010. p. 106. 26 STANESCU, S. Determinación práctica de las principales características morfométricas y fisiográficas de las cuencas hidrográficas y su aplicación en los cálculos hidrológicos. Madrid: McGraw-Hill, 1970. p. 213. 27 Ibíd., p. 219.

35

Tabla 4. Clasificación de la cuenca del río Ocoa según su área de drenaje.

Cuenca Área (Ha) Clasificación

Ocoa 29189.8 ha >10.000 Ha < 100.000 Ha Cuenca MedianaFuente: Autores. 5.2.2 Forma de la cuenca. • Coeficiente de compacidad (Kc) y torrencialidad. La forma de la cuenca permite deducir su tendencia a concentrar la escorrentía y, por lo tanto, de ella se puede inferir la torrencialidad del caudal. El coeficiente de compacidad (Kc) relaciona el perímetro (P) de un círculo que contenga la misma área (A) de la cuenca hidrográfica. Para valores de Kc entre 1 y 1,25, la cuenca presenta mayor tendencia a crecientes o concentración de altos volúmenes de agua de escorrentía. En la Tabla 5 se indica la clasificación de las cuencas según los valores del coeficiente de compacidad y torrencialidad. Tabla 5. Clasificación según rangos del coeficiente de compacidad.

Clasificación Rangos del Coeficiente de Compacidad (Kc) Redonda < 1- 1,25

Oval Redonda 1.25 -1,5 Oval Oblonga 1.5 -1,75

Alargada > 1,75 Fuente: SÁNCHEZ, L. C. Cuenca hidrográficas: bases conceptuales, caracterización, planificación y administración. Ibagué: Universidad del Tolima, 2001. p. 34. La cuenca del río Ocoa es de forma alargada dado que el coeficiente de compacidad se aleja de la unidad. Esto significa que no tienden a ser una cuenca torrencial, al tener una menor posibilidad de que una precipitación intensa se presente de manera simultánea sobre toda su extensión; por lo tanto, los caudales pico son más atenuados. Los resultados se pueden apreciar en la Tabla 6. Tabla 6. Coeficiente de compacidad y torrencialidad del río Ocoa.

Cuenca Perímetro (Km) Coeficiente de Compacidad

(Kc) Proceso

Ocoa 141.58 2.6 Alargada Baja Torrencialidad Fuente: Autores. • Factor de forma de Horton (Rf). El factor de forma expresa la relación existente entre el área de la cuenca (A) y el cuadrado de la longitud máxima o longitud axial de la misma (LB2). Este parámetro mide la tendencia de la cuenca a las crecidas rápidas y muy intensas y a las lentas y sostenidas, de acuerdo con su

36

comportamiento, según tienda a valores extremos grandes o pequeños, respectivamente. En la Tabla 7 se muestra su clasificación según.28 Tabla 7. Formas de las cuencas para definir su tendencia a las crecidas.

Clasificación Rangos definidos del factor de forma Alargada 0 - 0,25

Oval Oblonga 0,25 - 0,5 Oval redonda 5 -0,75

Redonda 0,75 -1 Fuente: SÁNCHEZ, L. C. Cuenca hidrográficas: bases conceptuales, caracterización, planificación y administración. Ibagué: Universidad del Tolima, 2001. p. 39. En el caso de la cuenca del río Ocoa, ésta presenta valores entre 0,0 y 0,5, lo que significa que es alargada; en consecuencia, presenta una tendencia a transportar más fácilmente el escurrimiento de una lluvia intensa cuando ésta ocurre, sin que se genere concentración del mismo cauce. Los resultados se aprecian en la Tabla 8. Tabla 8. Forma del río Ocoa para definir su tendencia a las crecidas.

Cuenca L axial (Km) Factor de forma (Ff) Descripción

Ocoa 52.8 0.1 Alargada Baja susceptibilidad avenidasFuente: Autores. 5.2.3 Características del drenaje. • Densidad de drenaje (Dd). La densidad de drenaje (Dd) proporciona la información respecto a la abundancia de escurrimiento, y es un indicador de la respuesta de la cuenca ante un evento de precipitación; entre mayor sea esta densidad, más rápida es la velocidad de evacuación del agua. Es la relación entre la longitud total de los cursos de agua de la hoya, L, y su área total, A, expresada en km/km2. Este índice es de gran importancia puesto que refleja la influencia e interacción de la geología, topografía, suelos y vegetación, en la cuenca hidrográfica. En sitios donde los materiales del suelo son resistentes a la erosión o muy permeables y donde el relieve es suave, se presentan densidades de drenaje bajas. Los valores altos de la densidad de drenaje son, generalmente, áreas con suelos fácilmente

28 SÁNCHEZ, L. C. Cuenca hidrográficas: bases conceptuales, caracterización, planificación y administración. Ibagué: Universidad del Tolima, 2001. p. 33.

37

erosionables o relativamente impermeables, con pendientes fuertes y escasa cobertura vegetal.29 Figura 5. Densidad de drenaje cuenca río Ocoa.

Fuente: Autores (DEM ASTER de 30 mts 2012, Base IGAC esc: 100.00, 2012). En Colombia, según la etapa de los ríos, valores menores de 2,1 Km/Km², son representativos de zonas con sistemas de drenaje deficientes; valores entre 2,1 y 4,3 Km/Km², son representativos de condiciones medias de la densidad de la red de drenajes; y valores mayores de 4,3 Km/Km², son indicativos de zonas que tienen una alta densidad de drenajes* (ver Tabla 9). 29 MONSALVE SÁENZ, Germán. Hidrología en la ingeniería. 2 ed. Bogotá: Escuela Colombiana de Ingeniería, 1999. p. 119. * Adaptado de: LONDOÑO, H. Cuencas hidrográficas. Ibagué: Universidad del Tolima, 2001. p. 19.

38

Tabla 9. Clasificación de las densidades de drenaje según la etapa del río. Rangos (km/km2) Clasificación Descripción

0 -2,1 Baja Sistemas de drenajes deficientes2,1 - 4,3 Media Condiciones medias

> 4,3 Alta Altas densidades de drenaje Fuente: Autores, con base en LONDOÑO, H. Cuencas hidrográficas. Ibagué: Universidad del Tolima, 2001. p. 43. En la parte alta de la cuenca del río Ocoa, las corrientes menores se encuentran en etapas erosivas, condición que les imprime alta capacidad de arrastre y socavación, por tanto su clasificación corresponde a densidades de drenaje superiores. Se localizan sobre materiales impermeables a nivel superficial en relieves montañosos y de pie de monte, característicos de esta zona de la cordillera oriental. En la parte media de la cuenca, la pendiente longitudinal paulatinamente va disminuyendo y el fondo desciende; aquí se desarrollan densidades de drenaje medias a bajas a medida que desciende por el valle, localizándose en materiales más duros y resistentes a la erosión (ver Figura 5). • Sinuosidad de la corriente (s). La sinuosidad es la relación entre la longitud del tramo de un río medido a lo largo de su eje y la longitud media prolongada en el eje del valle. Los tramos rectos de un río tienen una sinuosidad de 1,0 y el valor máximo de la sinuosidad en ríos naturales es cercano a 4.30 El tamaño, forma y regularidad de los bucles de los meandros son aspectos de la sinuosidad y permiten deducir su dinámica fluvial (ver Tabla 10). Tabla 10. Clasificación de la sinuosidad de las corrientes.

Tipo de cauce Rangos Descripción Recto < 1 Cauces rectilíneos

Sinuoso > 1 S < 2 Forma Meandros Muy Sinuoso > 2 Forma Bucles

Fuente: OCHOA, T. Hidráulica de ríos y procesos morfológicos. Bogotá: Ecoediones, 2011. p. 114. Los resultados obtenidos de la corriente principal de la cuenca del río Ocoa se muestran en la Tabla 11, lo cual deja ver que es un río con un patrón sinuoso. Su modo de trasporte es de carga mixta y los procesos de sedimentación son mayores en las márgenes avanzando paulatinamente en el lecho.

30 OCHOA, T. Hidráulica de ríos y procesos morfológicos. Bogotá: Ecoediones, 2011. p. 113.

39

Tabla 11. Sinuosidad de la corriente del río Ocoa. Longitud cauce principal (km) Eje del valle (km) Sinuosidad

74.9 52.8 1.4 ≥ 1 SinuosoFuente: Autores. • Patrón de drenaje. Las formas que adquieren los ríos permiten anticipar los cambios morfológicos. En tal sentido, los ríos varían de forma durante su trayecto, se desarrollan patrones que son reflejo de los ajustes de los gradientes del caucey en la sección trasversal y parecen estar fuertemente controlados por la carga de sedimentos y sus características, la magnitud y naturaleza del caudal.31

En la Figura 6 se muestra el río Ocoa hasta el punto de análisis, el cauce es meándrico unicanal con procesos dinámicos intensos y procesos de sedimentación en la parte interna de los meandros, generando barras de punta; en la parte externa se presentan procesos de socavación y perdida de la margen, generando un crecimiento paulatino de la curva. Figura 6. Río Ocoa meandriforme unicanal.

Fuente: autores, con ayuda de GoogleEarth™ y Geocaching, 2014 En la corriente del río Ocoa, se distinguen cauces meandriformes los cuales poseen una serie de curvas, meandros o cinturones alternados, que le da al cauce, visto en planta, una forma de S (sinuosidad mayor de 1). Estos ríos aluviales se desvían de un alineamiento rectilíneo e inicia la formación de curvas, de manera que la corriente no se distribuye uniformemente en la sección trasversal, sino que es dirigida de una orilla a otra. El deslizamiento de las orillas, la depositación no uniforme del material en el lecho, los escombros tales como

31 Ibíd., p. 114.

40

árboles y la fuerza de Coriolis debido a la rotación de la tierra se consideran causas del desarrollo de meandros en los ríos.32 En las partes bajas de la cuenca donde las pendientes son menores, el río pierde velocidad y la cantidad de agua que discurre aumenta, inundando e invadiendo áreas de baja resistencia, ampliando su valle de inundación. Cada meandro presenta características de erosión en la orilla exterior (cóncava) y de sedimentación en la orilla interior (convexa) en la que se generan bancos de arena de los cuales se extrae por lo general materia prima para construcciones. 5.2.4 Relieve. El análisis hipsográfico permite determinar la distribución de las alturas en la cuenca, lo cual ayuda a comprender el devenir de los caudales, la variación territorial del rendimiento, generación de sedimentos y escurrimiento específicos de las corrientes de agua. En condiciones de régimen hidrológico natural, los rendimientos medios crecen con la elevación media.33

Adicionalmente, permite determinar la morfología y la fisiografía de las corrientes naturales y sus laderas; los cual se traduce en la cantidad de agua y sedimentos que ingresan a un río, provenientes de sus características del relieve y el ciclo erosivo según sus etapas, a saber si es de montaña (cuenca joven), de pie de monte (cuenca madura), o de llanura (cuenca vieja).

El río Ocoa poseen valles de configuración intermedia, con profundidades de agua no muy considerables. El relieve de la cuenca es ondulado en las partes más altas. Generalmente no presenta bancas bien definidas y el cauce ocupa una parte considerable del valle. Las pendientes fuertes del cauce y las laderas producen una escorrentía rápida que llega en corto tiempo a las zonas bajas del valle. En lo que puede ocasionar crecientes de ascenso y descenso rápidos. Los sedimentos en estos tramos de mayores relieves son mayores que en los ríos de llanura (viejos). Generalmente están compuestos de arenas gruesas, gravas, cantos rodados. En la cuenca media y baja, en épocas secas aparecen un gran número de lagos inestables que constituyen cauces de divagación. A continuación se presenta la curva hipsométrica para la cuenca del río Ocoa. 32 Ibíd., p. 117. 33 LONDOÑO, H. Cuencas hidrográficas. Ibagué: Universidad del Tolima, 2001. p. 26.

41

Figura 7. Curva hipsométrica cuenca río Ocoa en fase de madurez.

Fuente: Autores. Para el río Ocoa su media altitudinal está en 440 msnm y su representación refleja una cuenca en estado transitorio entre la madurez y la vejez. Para determinar el nivel donde probablemente ocurren la mayor concentración de caudales se utiliza la relación entre las áreas entre curvas y el coeficiente de toda su área acumulada obteniendo una altura de 480 msnm (ver Figuras 7 y 8).

42

Figura 8. Hipsometría de la cuenca del río Ocoa

Fuente: Autores (DEM ASTER de 30 mts 2012, Base IGAC esc: 100.00, 2012). • Pendiente media de la corriente principal (s1). La velocidad de escurrimiento de las corrientes depende de la pendiente de sus canales fluviales. A mayor pendiente (s1), mayor velocidad y es la diferencia total de elevación del lecho del río dividido por su longitud, L, entre esos dos puntos. La pendiente media del cauce es uno de los factores importantes que inciden en la capacidad que tiene el flujo para transportar sedimentos a lo largo de la cuenca, por cuanto está relacionada directamente con la velocidad del agua; en los tramos de los cauces menores, las pendientes con menores a 5 repercutiendo en que la velocidad de flujo se abaja por lo que casi no mueven carga de fondo (sedimentos), más bien los deposita. Cuando los cauces pasan por tramos de pendientes altas a otros de pendiente baja, el transporte se reduce y comienzan a depositarse los materiales recibidos del tramo anterior conformando los abanicos aluviales. Por su parte la influencia en la respuesta del hidrograma se ve reflejada en que a mayor pendiente mayor caudales pico y viceversa.

43

Tabla 12. Pendiente media de la corriente principal del río Ocoa.

Cuenca cota Max (m.s.n.m) cota min (m.s.n.m)

Longitud Cauce Principal (km)

Pendiente Media

Ocoa 1018 223 74.9 10.6Fuente: Autores. Los valores de la tabla anterior muestran que la cuenca del río Ocoa se caracterizan por tener pendientes medias a bajas, lo cual corresponde a velocidades de flujos igualmente medios y bajos (ver Tabla 12). • Tiempo de concentración (TC). Es el tiempo que tarda una gota de agua en desplazarse de la parte más alta de la cuenca (punto más lejano) hasta salir o pasar por el punto de cierre de la cuenca. Depende de varios factores como cobertura, infiltración y pendiente, entre otros. Existen varios métodos para calcularla; para el presente estudio se utilizó la fórmula de Kirpich Californiana y la de Guaire, donde se utilizan la diferencia entre las dos altitudes o elevaciones extremas del cauce principal (Ver Tabla 13). Los tiempos de concentración dependen de las áreas de las cuencas, en este caso la cuenca del río Ocoa presenta superficies menores y los tiempos de concentraciones se hacen más cortos. Lo cual sugiere que hay respuestas más rápidas frente a eventos de lluvia. Tabla 13. Tiempo de concentración cuenca río Ocoa.

Cuenca Kirpich California 1973 (horas) Guaire (horas) Promedio (Horas)

Ocoa 10.6 6.4 8.5 Fuente: Autores. Finalmente se adopta el valor promedio, dada la diferencia entre los dos métodos, tomando 8,5 horas de tiempo de concentración para la cuenca del río Ocoa.

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6. METODOLOGÍA 6.1 RECOPILACIÓN DE DATOS HIDROMETEOROLÓGICOS Para la obtención de los datos de entrada del modelo se consultaron y analizaron las siguientes fuentes de información. • Datos estadísticos mensuales y diarios de estaciones hidrometeorológicas de precipitación y caudal del IDEAM.34 • Publicaciones y registros existentes sobre el clima y recursos hídricos en Colombia y estudios realizados a nivel regional y local. Como el Atlas Climatológico de Colombia35, el Plan de Ordenamiento Territorial del municipio de Villavicencio36, Estudio Nacional del Agua.37 • Cartografía IGAC 2012 en 1:100.000 DEM ASTER 2012. 6.2 SELECCIÓN DE LAS ESTACIONES METEOROLÓGICAS Los datos fueron obtenidos de los registros IDEAM, las cuales conforman una red meteorológica concentrada hacia el sur de la cuenca y cuenta con instrumentación suficiente recomendados por la (OMM, 2010)38 para una red mínima de 278 km de distancia entre una y otra. Una vez realizado el inventario que opera actualmente esta institución en el departamento del Meta, se obtuvo un conjunto de 8 estaciones, entre climatológicas, pluviométricas, sinópticas y limnimétricas (ver Figura 9). Considerando que la Organización Meteorológica Mundial establece la selección de aquellas que cuenten con la suficiente confiabilidad en la toma de datos, historial continúo en general con más de 20 años de mediciones, homogeneidad respeto a sus alturas de ubicación y observaciones en lo posible comunes, se evaluó el periodo de 1994 a 2012, dando como resultado 7 estaciones para el modelamiento de las series de caudal en el sitio de interés de la cuenca del Río

34 INSTITUTO DE HIDROLOGÍA, METEOROLOGÍA Y ESTUDIOS AMBIENTALES (IDEAM). Metodología de cálculo del índice de escasez. Bogotá: IDEAM, 2004. p. 26. 35 Ibíd., Atlas Climatológico de Colombia. Bogotá: IDEAM, 2005. 216 p. 36 ALCALDÍA DEL MUNICIPIO DE VILLAVICENCIO. Plan de ordenamiento territorial. Villavicencio: La Alcaldía, 2002. 280 p. 37 INSTITUTO DE HIDROLOGÍA, METEOROLOGÍA Y ESTUDIOS AMBIENTALES (IDEAM). Estudio Nacional del Agua. [En línea] Disponible en Internet: . [Citado: 7 de febrero de 2014]. 38 OMM, (2010) Organización meteorológica mundial, Guía de la red de estaciones de observación en superficie del SMO (sistema mundial de observación).Versión actualizada

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Ocoa. En las Tablas 14 y 15 se puede apreciar las series de tiempo asociada a todas las estaciones.

Tabla 14. Periodo de registro de las estaciones hidrometeorológicas.

Fuente: INSTITUTO DE HIDROLOGÍA, METEOROLOGÍA Y ESTUDIOS AMBIENTALES (IDEAM). Registros históricos datos diarios hidrometeorológicos. [En línea] Disponible en Internet: . [Citado: 16 de mayo de 2014]. Tabla 15. Estaciones seleccionadas.

Este Norte Código Nombre Corriente Tipo m.s.n.m Entidad 1031193 946663 35020030 Manzanares Manzanares PM 1200 IDEAM

1079171 938187 35020060 Pompeya Negro PM 260 IDEAM

1057855 942302 35035010 Base Aérea Apiay Ocoa SS 400 IDEAM

1055402 942258 35035070 Unillanos Guatiquía CP 340 IDEAM

1045722 943296 35037130 Puente el amor Ocoa LM 387 IDEAM

1049008 947854 35030030 Sena Guatiquía PG 425 IDEAM

1070195 943862 35030050 Ojo de Agua Ocoa PM 300 IDEAM

1043058 954645 35030290 Servita Guatiquía PM 1084 IDEAM

Fuente: IDEAM, 2014. (CP: Climatológica principal, LM: Limnigráficas; PM: Pluviométrica SS: Sinóptica)

Figura 9. Distribución de las estaciones hidrometeorológicas.

Fuente: INSTITUTO DE HIDROLOGÍA, METEOROLOGÍA Y ESTUDIOS AMBIENTALES (IDEAM). Registros históricos datos diarios hidrometeorológicos. [En línea] Disponible en Internet: . [Citado: 16 de mayo de 2014]. (CP: Climatológica principal, LM: Limnigráficas; PM: Pluviométrica SS: Sinóptica Secundaria. 6.3 PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN 6.3.1 Análisis de consistencia de datos. Para las investigaciones y análisis hidroclimáticos es muy importante que los datos sean intercomparables en la totalidad de los registros. Esta consideración concierne particularmente a los datos obtenidos en una misma ubicación en fechas y momentos diferentes. A lo largo de un registro prolongado pueden aparecer problemas vinculados a las modificaciones de las prácticas de observación y en particular de los instrumentos.

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Tales cambios pueden dar lugar a graves problemas y la utilidad de una serie de observaciones histórica puede resultar gravemente mermada.39 Se utilizó el modelo Water Resourses Council para la realización de ajustes de series dudosas, recomendada para detectar los puntos que se separan de la tendencia central de los valores máximos por encima o por debajo y facilitar la toma de decisión de retención o eliminación de datos que puedan afectar significativamente la magnitud de los parámetros estadísticos40, con un nivel de significancia del 10%. Utilizando la ecuación de frecuencia se puede hallar los datos dudosos altos con la siguiente expresión:

[14] Donde YH es el umbral dudoso alto en unidades logarítmicas Y y Sy son variables estadísticasparaun tamaño de la muestra. Utilizando los valores Kn que contienen los valores para la prueba de datos dudosos de la tabla de U.S del Water Resources para la distribución normal. Los picos de crecientes considerados como bajos o altos se eliminan del registro. De los resultados se concluye que las estaciones Unillanos y Ojo de Agua presentan puntos que separan la tendencia por debajo. En estos casos se suprime los datos obtenidos de registros insuficientes y/o dudosos y se repite el análisis. Las demás estaciones están dentro del rango de aceptación para ser tenidas en cuenta en el componente hidroclimático de la cuenca del río Ocoa. En la Figura 10 se muestra la prueba de aplicación de esta metodología.

39 MARTÍNEZ, A. Fundamentos de hidrogeología. Madrid: Anagrama, 2005. p. 306. 40 CHOW, Ven Te. Hidrología aplicada. Santafé de Bogotá: McGraw-Hill, 1994. p. 269.

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Figura 10. Consistencia de datos hidroclimáticos.

Fuente: INSTITUTO DE HIDROLOGÍA, METEOROLOGÍA Y ESTUDIOS AMBIENTALES (IDEAM). Registros históricos datos diarios hidrometeorológicos. [En línea] Disponible en Internet: . [Citado: 16 de mayo de 2014].

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6.3.2 Homogeneidad de las series del entorno. Una muestra es homogénea si sus variaciones responden exclusivamente a las variaciones de la atmósfera.41 El método utilizado es el de dobles masas, que consiste en construir una curva doble acumulativa, en la cual son relacionados los totales anuales acumulados de precipitación de un determinado lugar y la media acumulada de los totales anuales de todas las estaciones de la región, considerada climatológica e hidrológicamente homogénea desde el punto de vista de datos,42 mediante la fórmula:

[15] Donde: Paj: Observaciones de precipitación ajustadas a las condiciones actuales de localización, exposición o método de observación del puesto pluviométrico. Po: Datos observados que deben ser corregidos. Ma: Pendiente de la recta durante el periodo correcto de toma de datos. Mo: Pendiente de la recta en el período en que se hicieron las observaciones Po Para este análisis se utilizó la estación Sena y se relacionó con las estaciones, Manzanares, Pompeya, Base Aérea Apiay, Puente el Amor, Ojo de agua, servita y Unillanos. Como resultado se puede decir que en general poseen registros uniformes y no se observa ninguna variación en la tendencia central por lo que se concluye que son hidrológica y climatológicamente homogéneas. Solamente,puede observarse los cambios en las pendientes entre las estaciones Puente El Amor y Sena; a partir de los cuales se presentan inhomogeneidades; ya sea por falta del cambio del pluviómetro o registros faltantes, por tanto es necesario aplicar el factor de corrección. En la Figura 11 se aprecian los resultados de este análisis.

41 CONRAD, P. y POLLACK, S. Análisis de homogeneidad de las series del entorno de Guipuzcoa. San Sebastian (País Vasco), 2013. p. 93. 42 MONSALVE SÁENZ, Germán. Hidrología en la ingeniería. Op. Cit., p. 123.

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Figura 11. Curva de dobles masas (la homogeneidad de las series).

Fuente: INSTITUTO DE HIDROLOGÍA, METEOROLOGÍA Y ESTUDIOS AMBIENTALES (IDEAM). Registros históricos datos diarios hidrometeorológicos. [En línea] Disponible en Internet: . [Citado: 16 de mayo de 2014]. 6.3.3 Registros faltantes. De acuerdo con la configuración del modelo, la precipitación se estima según los registros diarios de las estaciones más

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cercanas, empleando el método de la distancia inversa ponderada (IDW), que es una estimación determinista y de interpolación espacial, donde los sitios sin valor conocido son hallados por una combinación lineal de los valores con datos conocidos. Tiene como suposición que los valores más cercanos al lugar sin registro conocido son más representativos. Los valores desconocidos se determinan utilizando la siguiente expresión:

[16] Donde: Z?: El valor a ser determinado. M: El número de puntos con valor conocido más cercanos a Z? D: Distancia entre Zi y Z? W: Valor de ponderación. El valor de W controla la región de influencia de cada una de las regiones con información. Cuando W aumenta la región de influencia decrece. Cuando W es igual a cero el método es idéntico a un simple promedio (ver Figura 12). Con lo anterior se determina que estaciones se pueden correlacionar en cada uno de los puntos de control tanto en la calibración como para el sitio de interés de generación de series sintéticas. El modelo de tanques, por su parte calcula una precipitación promedio diaria al dividir la suma de los valores de la variable por el número total de observaciones, según la cantidad y representación de las estaciones que se ingresen.43 En aquellos meses donde no existían caudales, se utilizó el promedio de los datos entre las estaciones Pluviométricas Sena, Unillanos, Ojo de Agua, Servita y Base Aérea Apiay y el Modelo de tanques para llenar los datos Faltantes. Las series de la estación Puente El Amor sobre el río Ocoa se completó para el período 2001-2010.

43 VÉLEZ, C. Aplicaciones de un modelo hidrológico agregado en Colombia. Op. Cit., p. 88.

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Figura 12. Distribución espacial de la precipitación.

Fuente: Autores (DEM ASTER de 30 mts 2012, Base IGAC esc: 100.00, 2012, IDEAM, 2014). 6.3.4 Correlación de las estaciones de precipitación con las de Caudal. La respuesta de los caudales al régimen de precipitación en una cuenca tiene diferentes grados de complejidad acorde con las características físicas. Los caudales sintetizan una relación entre la precipitación, la evapotranspiración y otras variables relacionadas con el balance hidrológico. Para este estudio, se realizaron correlaciones lineales para evaluar el comportamiento de los caudales del río Ocoa y su respuesta con la precipitación en la cuenca con el fin de ajustar al modelo de tanques. De toda la información disponible, referente a los datos, se tomó sólo la de aquellas estaciones que resultaban más representativas y que al mismo tiempo permitiera disponer de una distribución más o menos homogénea. Este análisis se realizó para las estaciones climáticas Unillanos, Sena, Ojo de Agua, Servita y Base aérea Apiay (ver Figura 13).

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Figura 13. Correlaciones lineales entre las estaciones de lluvia Caudal

Fuente: Autores. Como se puede apreciar en las gráficas de correlación directa, no se tienen resultados satisfactorios; es por esto que se utilizó un análisis que incluye la media la desviación estándar de los datos mediante la fórmula:

[17]

[18]

[19]

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Se consideró la cercanía de la estación de caudal y su representación espacial para determinar el coeficiente que mejor se ajusta a la escorrentía de la cuenca. Los resultados se pueden apreciar en la Tabla 16. Tabla 16 Valores de Correlación de las estaciones de lluvia caudal

Estación

Valor Correlación

UNILLANOS 0,270 SENA 0,330

OJO DE AGUA 0,170 SERVITA 0,170

BAA 0,170 Fuente: Autores. Se procedió a utilizar los valores de la tabla 16 y se ajustaron los demás parámetros del modelo para generar la serie de datos 6.3.5 Calibración del modelo. El modelo precipitación – escorrentía presentado requiere de la entrada de los datos de precipitación para cada intervalo de tiempo y de manera agregada. Posteriormente al ingreso de los datos de precipitación, se definen las condiciones iniciales de almacenamiento de los cuatro tanques que componen el modelo, y posteriormente se determinan los parámetros del modelo. Los parámetros sujetos a calibración del modelo son: la capacidad máxima de almacenamiento capilar (HU); los tiempos de residencia del agua en los elementos de almacenamiento Tr2, Tr3 y Tr4; las conductividades hidráulicas de cada capa del suelo (Ks y Kp), los valores de correlación de las estaciones y las pérdidas subterráneas X5. La calibración del modelo se realiza ajustando los parámetros citados anteriormente, buscando coherencia física en los valores utilizados, hasta conseguir un buen ajuste entre la serie observada y simulada; además la correspondencia entre los volúmenes de agua producidos por el modelo y los reales en la cuenca, analizando para ello la curva de duración de caudales. Este proceso de calibración subjetiva permite incorporar el conocimiento experto del analista, quien a su vez puede realizar un refinamiento en el proceso de calibración empleando optimizaciones matemáticas como lo presenta Medici44, variando los parámetros entre valores esperados. Importante considerar en el proceso de calibración del modelo, que conceptualmente los tiempos de residencia del agua en los tres tanques que 44 MEDICI, C., y BUTTURINI, A. Distributed modeling of large basins for real time flood forecasting system in Spain. Las Vegas, USA: Second Federal Interagency Hydrologic, 2010. p. 102.

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contribuyen a la escorrentía superficial, disminuyen del tanque T2 al T4. Igualmente se supone que la capa de suelo que se encuentran a mayor profundidad posee una permeabilidad menor que la que tiene la capa existente en la parte superior. Finalmente, una vez obtenido un grupo de parámetros satisfactorio en el proceso de calibración, se procede a evaluar la bondad del ajuste entre la serie observada y la serie simulada, mediante el uso de los siguientes criterios matemáticos: El error porcentual en el balance (BE),

[20] El coeficiente de eficiencia de Nash (E1), (Nash, 1970).

[21] El coeficiente de eficiencia de Nash para la raíz cuadrada de los caudales (E2), cuyo óptimo es el 100% y minimiza el efecto negativo sobre el indicador de error tradicional dado por las grandes desviaciones que se presentan en los caudales pico.45

[22]

[23] Donde,

: Caudal observado en el tiempo t ; : Caudal simulado en el tiempo t ,

: Caudal medio observado, : Caudal medio simulado

: Número de datos. : Número total de días del periodo de calibración

45 CHIEW, F. y MCMAHON, T. Application of the daily rainfall-runoff model MODHYDROLOG to 28 Australian catchments. En: Journal of Hydrology (Apr., 1994); no. 153, p. 389.

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Para disminuir la influencia de las condiciones iniciales en la simulación, se utilizan valores promedios de almacenamiento en cada uno de los tanques en periodos climáticos similares a los que anteceden al inicio de la simulación, e igualmente se dejan periodos de “calentamiento” de duraciones iguales o mayores al tiempo de residencia del agua en el tanque T4, que oscilan entre 3 a 6 meses. En la Tabla 17 se presentan los resultados de la calibración del modelo. Tabla 17. Resultados de calibración del modelo.

Parámetros Valor Asumido Mínimo Sugerido Máximo

SugeridoÁrea de la Cuenca hasta la estación PTE-EL AMOR en Km2 51,0

Almacenamiento Máximo Capilar 20,0 20 600 Conductividad Capa Sup (mm/día) 5,0 1 100 Conductividad Capa Inf (mm/día) 5,0 0,01 10

Perdidas Subterráneas (mm) 0,003 0 10 Tiempo de Residencia Flujo Superficial (días) 3,0 1 10

Tiempo de Residencia Flujo Subsuperficial (días) 10,0 1 10 Tiempo de Residencia Flujo Base (días) 150,0 50 200

Condiciones Iniciales (mm) Almacenamiento Capilar 20,00 0 20

Almacenamiento Agua Superficial 10 0 10 Almacenamiento Gravitacional Z Superficial 30,0 0 30

Almacenamiento Gravitacional Z Inf (acuífero) 200,00 0 2000 Parámetros de Interpolación

UNILLANOS 0,270 SENA 0,330

OJO DE AGUA 0,170 SERVITA 0,170

BAA 0,170 Otros Parámetros del Modelo

Exponente Infiltración 2 1 3 Exponente Evaporación 1 0,25 1,5

Radiación Global Incidente Promedia (cal/cm2/día) 508 Error de Balance 29.38%

%RMSE 8,01% ENASH 5.61% ENASH2 9.68%

Fuente: Autores. Una comparación entre los datos simulados mediante el modelo de tanques y los datos diarios históricos se muestra en la Figura 14, y la comparación entre las curvas de duración de la serie histórica versus la serie simulada se muestra en la Figura 15 y Tabla 18.

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Figura 14. Caudales simulados vs caudales observados.

Fuente: Autores. Tabla 18. Caudales característicos (m³/s) en la estación Puente El Amor.

Registro Q(m3/s) Observado Q(m3/s) Simulado

Máximo registro (m3/s) 77.00 38.95Menor registro (m3/s) 0.18 0.54

Registro 10%, Q aguas altas (m3/s) 18.00 11.96Registro 50%, q promedio (m3/s) 5.18 4.27Registro del 90%, Q base (m3/s) 2.24 1.29

Registro del 95%, Q ecológico (m3/s) 2.05 1.11Fuente: Autores.

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Figura 15. Curva de duración de caudales simulados y observados.

Fuente: Autores. Los indicadores de error (de Balance, %RMSE, ENASH y ENASH2) muestran que el modelo de tanques reproduce aceptablemente las principales características de la serie de caudales medios diarios de la estación Pte El Amor sobre el río Ocoa, los caudales mínimos son muy acertados, sin embargo los caudales máximos se dan con algunas diferencias en los picos más altos. El modelo permite entonces convertir los datos de precipitación de las estaciones Sena, Unillanos, Ojo de Agua, Servita y Base Aérea Apiay en datos de escorrentía lo que facilita la obtención de los datos faltantes de caudal para la estación Puente El Amor. Algunos de los resultados más interesantes del modelo de tanques es la estimación del flujo base y la recarga en el acuífero asociado a la cuenca del río Ocoa. Las entradas al Tanque 4 (Almacenamiento Subterráneo), corresponden a la recarga del acuífero (en mm/día) y las salidas de dicho tanque, corresponden al aporte del almacenamiento subterráneo a la escorrentía, lo que comúnmente se conoce como flujo Base. Los resultados obtenidos permiten establecer que la recarga promedio del acuífero asociado al río Ocoa es de 2.56 mm/día, el flujo base comparado estimado y su ciclo anual se presentan en las Figura 16 y 17 respectivamente.

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Figura 16. Serie histórica y flujo base estimado mediante el modelo de tanques.

Fuente: Autores. Los resultados de la estimación del flujo base permiten afirmar que para los meses de enero, febrero y marzo la magnitud de los caudales depende en una buena parte de los aportes subterráneos derivados del flujo base. Así pues los caudales mínimos de la corriente durante los meses secos están ligados a la variabilidad del flujo base, pero no completamente. Figura 17. Comparación entre ciclo anual del flujo base y la serie histórica.

Fuente: Autores.

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6.3.6 Extensión de la serie de caudales medios diarios al sitio de Interés. Una vez se calibró el modelo se extendieron los caudales al sitio de interés, mediante la relación de las áreas(a la altura de la inspección de policía Alto Pompeya en el departamento del Meta). A continuación se presenta en la Figura 18 los puntos de control de la calibración del modelo (Estación Puente El Amor) y el sitio de interés del estudio. Mediante el análisis de homogeneidad se reconoce la calidad de la serie de caudales generada para el sitio de interés en la inspección de policía Alto Pompeya, proveniente del modelo lluvia escorrentía. El objetivo es detectar anomalías y definir si la serie de tiempo es independiente o no. Esto permite identificar inconsistencias en la generación y procesamiento de la información. Inicialmente se realiza un análisis explora