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Quito, 15 de setiembre 2009
Modelación Oferta Demanda Hídrica- descripción y avances de los estudios
en la cuenca alta del Guayllabamba y la zona de abastecimiento de Quito -
JC. Pouget, P. Le Goulven, R. Calvez, UMR G-EAU Proyecto AguAndesJ. Serrano, G. Pila, D. Proaño, M. Calispa, Estudiantes IRD-EPN
Colaboración: FONAG, IMAGE/EPN, EMAAP-Q, INAMHI, SENAGUA, SEI-US…
IRD
Estudio de los caudales ecológicos
2
IRD
13 setiembre - Charlotte se fue
3 IRD
Plan
• Introducción sobre los modelos de confrontación oferta demanda y las herramientas de apoyo a la GIRH
• Area de estudio de la cuenca alta del Guayllabamba y zona de abastecimiento de Quito
• Ejemplo de modelación de la oferta• Necesidad de afinar los parámetros de la oferta• Propuesta de modelación de la demanda• Necesidad de afinar los parámetros de la demanda, en particular de
los usos de riego • Avances de caracterización de las subcuencas, de la variabilidad y
evolucíon de la demanda• Objetivo a corto plazo de calibración de los modelos• Discusión sobre los modelos oferta demanda para representar las
dinamicas de variación y de evolución y enfrentar los retos de la GIRH en relación con los cambios globales
4
IRD
Componentes GRH y Modelos
3 grandes funcionalides :• Representación de un sistema con
objetos y su desarrollo en el espacio y en el tiempo
• Simulación del funcionamiento sobre series temporales representativas de una variabilidad o de una evolución
• Evaluación de los resultados y de la durabilidad
Importanciá de la integración :• Gestión de la oferta• Gestión de la demanda
Impactos
Distribución
GESTIÓN
INFRAESTRUCTURAS
CUENCAS USOS
Retorno
Demandas
Contexto tecnológico y socio-económico
Aportes
Ofertas
Clima, precipitaciones,evaporaciones
5 IRD
WEAP y la Planificación
You can click and drag elements of the water system from the legend onto the schematic directly.
Use the menu to do standard functions such as creating new areas and saving.
Your can zoom your schematic in or out by sliding the bar here.
GIS layers can be added here.
Use the View bar to switch between your data and its results.
• Provee una estructura común y transparente para organizar la información de recursos hídricos a cualquier nivel deseado –cuenca local, regional o río internacional
• Fácilmente se pueden desarrollar escenarios para explorar posibles futuros del agua
• Las implicancias de distintas políticas pueden ser evaluadas
6
IRD
Uso de la herramienta WEAP
IRD
Uso de la herramienta WEAP
IRD
Cuenca alta del Guayllabamba y zona de abastecimiento de Quito
Cuencasamazónicas
Cotopaxi
Antisana
Cayambe
QUITO
GuayllabambaGuayllabamba
9
EsmeraldasEsmeraldas
ProyectoRíos Orientales
2010-2055
Area de estudio
IRD
Area de estudio
10
• Cuenca Alta del Guayllabamba
• Área: 6448 Km2• Ciudades• Ríos
IRD
Area de estudio
11
• Cuenca Alta del Guayllabamba
• Área: 6448 Km2• Ciudades• Ríos• Estaciones
Hidrológicas
IRD
Area de estudio
12
• Zonas de Riego • Sitios de Demanda
• Cuenca Alta del Guayllabamba
• Área: 6448 Km2• Ciudades• Ríos• Estaciones
Hidrológicas
IRD
Abastecimiento de la hoya de Quito
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Importancia de los glaciares y sobre todo de los páramos
IRD
Modelización hidrológica de glaciares y de páramos en relación con la oferta de agua de la hoya de Quito=> Caso del Antisana – Mica, estudios IRD, INAMHI, EMAAP-Q=> uso del modelo glaciar desarrollado en Perú en el proyecto Banco mundial, IRD, SEI-US
Ejemplo de modelación hidrológica
=> pruebas del modelo lluvia –caudal (2 reservorios) de WEAP para la representación de los páramos=> necesidad de otra conceptualización por el paso de tiempo mensual ?=> pruebas de diferente modos de espacialización
- Calibración lluvia-caudal sobre el período 2004 – 2007- Simulación sobre el período 1956 (1965) – 2007
=> validación de la representación de la evolución glaciar 14
IRD
Área de Estudio
15
Producción de agua para el Distrito
Metropolitano de Quito
≈ 7.2 m3/s (fuente EMAAP-Q)
Mas de 60% viene de las cuencas amazonicas
Sistema Papallacta≈ 3 m3/s
Sistema Antisana -Mica
≈ 1.5 m3/s
Cuenca alta del Guayllabamba
Vertiente pacifico
Cotopaxi
Cayambe
Antisana
IRD
Definición de Cuencas
Jatunhuaycu
Crespos
Humboldt
Antisana
Diguchi
Mica
16
Quito
Fuentes:IGM , Escala 1:50000, WGS 1984
SIRH Guayllabamba alto – FONAG…Definición de cuencas: Roger Calvez
Homogenización con Rubén Basantes - PRAA?
Quito
IRD
Glaciares y Páramos
IRD
Modulo Glaciar en WEAP
Ei=1 hasta n bandas de elevacion
j=1, zona glaciar
j=2, zona no glaciar
m=banda de elevacion mas baja con glaciar
CATCHMENT Object in WEAP
Streamflow Measurement orManagement Point
i=1
j=1 j=1 j=1
j=2
j=2
j=2
j=2
i=m
i=n
EiEm
Em+1
i=m+1
En
Ai, j=2Ai, j=1
RUNOFF in WEAP Elevation BandDelimiter
SubwatershedGlacier
18
IRD
Balance de Masa Anual
VPliq
VQsnow
VQice
ΔVliqΔVsnow
SinitialVice
t=1, Año 1Condiciones Iniciales
t=12, Año 1
ΔMwater
ΔVice 12,,,12,, ==
= Δ=Δ∑ tTglacier
n
miitTice VV
snow if T<To
liq if T>To
j=1
j=1
19 IRD
Cambio en Área Glaciar
i=1
j=1
j=1 j=1
j=2
j=2
j=2
j=2
i=m
i=n
i=m+1
Ai, j=2 Ai, j=1
b
tTglaciertTglacier
tTglacier c
VV
A3
12,,0,,
12,,1000
==
=
Δ+
=
0,,12,,12,, === −=Δ tTglaciertTglaciertTglacier AAA
⎪⎩
⎪⎨
⎧
>Δ+>Δ+≥Δ+
<Δ+=
===
======
===
==
itTglacieritTi
tTglaciermitTitTglaciermitT
tTglaciermitT
mitT
MaxAAAMaxAAAMaxAAA
AAA
12,,1,0,
12,,,0,12,,,0,
12,,,0,
,12,
,0,
0,0
Calculo cambio área glaciar y asignación a banda i=m
20
IRD
Datos hidro-meteo 2004-2007
Crespos(4520 m)
Humboldt(4010 m)
La Mica(3930 m)
21
Mica
Fuente general de los datos mensuales:Informes Antisana 2004..2007
Caudal: Estaciones Humboldt, CresposPrecipitacion: P5..P11 + correlacionTemperatura: SAMA, ORE
Informe 2007, Gradiente -0.6°C/100mVelocidad del viento: SAMA, ORE
Informe 2007 => reanalisisHumedad relativa, nebulosidad: SAMA, ORE
Informe 2007 => promedio interanual
IRD
Espacializacion en catchments – 500m
22
4500 m
5000 m
5500 m
4000 m
0%68%21%11%15.207HUMBOLDT
0%0%46%54%2.670CRESPOS
19%74%5%2%138.584ANTISANA
0%0%8%92%0.194HUM_5000
0%14%84%2%2.238HUM_4500
0%100%0%0%10.104HUM_4010
0%0%0%100%0.183CRE_5500
0%0%0%100%1.085CRE_5000
0%0%71%29%1.402CRE_4520
PastosPáramosArenalesGlaciarArea km2Codigo
Crespos
Humboldt
Fuente: TNC 2007
IRD
Espacializacion catchments – 250-125 m
23
4500 m
cada 125 m
4000 m4250 m
0%0%86%14%0.324CRE_5625
0%16%84%0%1.915CRE_5375
0%99%1%0%4.583CRE_5250
0%100%0%0%5.522CRE_5125
0%0%99%1%0.183CRE_5000
0%0%7%93%0.509CRE_4875
0%0%0%100%0.576CRE_4750
0%0%59%41%0.968CRE_4625
0%0%100%0%0.434CRE_4520
PastosPáramosArenalesGlaciarArea km2Codigo
5625 mCrespos
Humboldt
Fuente: TNC 2007
IRD
Simulaciones 1956 (1965) - 2007
Fuente limites glaciares 1956:Daniela Vallejos (2008)=> cf. presentación Cadier jun-2009 => trabajo Ruben Basantes PRAA=> otros limites: 1965? 1993? …
Datos meteoprecipitacion: reconst. con estaciontemperatura: reanilisis…
2468%86%% glaciar
1.8222.284area glaciar km2
20051956Año
Ejemplo Crespos
IRD
Afinar los parámetros de la oferta
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Est. pluviométricas
Est. hidrológicas
E. Mafla, F. Cisneros, 2008 - GIRH-HQ F.1, jan-2008
Hydrological areasproduction
volume / unit
regulation
glaciers excellent excellent
paramos very good excellent
Andean forests very good excellent
farm areas low medium
erosion areas medium bad
urban areas high none
Ejemplo Representación del estudio UICN-FONAG 2008
IRD
Afinar los parámetros de la oferta
26
Estudio UICN-FONAG 2008 => nivel mensual promedio interanual
IRD
Afinar los parámetros de la oferta
27
• Homogeneización de los datos: Identificación de los errores sistemáticos en las series anuales y mensuales, verificación de los diagnósticos en el campo y corrección de los datos. Análisis por el vector regional
• Análisis climático• Regionalización: Análisis espacial de las series climáticas (lluvia y ETP)
mediante el vector regional. Definir regiones climáticas homogéneas y calcular sus vectores representativos. Analizar las relaciones con la altitud y elaborar mapas regionales parar poder generar en cualquier punto de la cuenca series cronológicas de lluvia y ETP.
• Evolución: Análisis de las series cronológicas de lluvia y ETP para detectar tendencias o rupturas según los métodos estadísticos clásicos sobre varios parámetros
• => series temporales mensuales de 1963 hasta 2006 de lluvia, temperatura…
• Base de datos operacional, con valores medidas, coregidas, completadas
IRD
Representación de las demandas
28
IRD
• Diferentes sistemas de riego (Públicos y Privados).
• Concesiones, Acequias, Canales, Tomas de Agua.
• Derivaciones entre subcuencas.
Probemática representación demanda
29 IRD
Ejemplo de Espacialización del
estudio UICN-FONAG 2008
• Puntos de Concesiones de Riego
Probemática representación demanda
30
IRD
1.3 Ejemplo del San Pedro
Probemática representación demanda
31 IRD
Agrupación yEspacialización
Probemática representación demanda
32
IRD
Ejemplo Representación del estudio UICN-FONAG 2008
• Reclasificación de la cobertura vegetal.• Multiplicación de Eto por los Kc.• Al mes de mayor requerimiento se le asigna la suma de los
caudales concesionados, los otros varían en función de su Etp.
02468
101214161820
Enero
Febrero
Marzo AbrilMayo
Junio Ju
lio
Agosto
Septiembre
Octubre
Noviembre
Diciembre
San PedroPita
Machángara
PisqueGuayllabamba Medio
Guayllabamba Bajo
Representación estacional
33 IRD
Ejemplo representación en WEAP de una Variación Estacional
Representación estacional
34
IRD
Ejemplo del Esquema WEAP de presentación del San Pedro - Pita
Representación estacional
35 IRD
• Esta representación es independiente de variables climáticas (precipitación, temperatura, viento, etc.) áreas de las zonas de riego, así como características de suelo y cobertura vegetal.
• Solo considera un caudal medio anual.• La demanda de agua no varía a lo largo de los años, lo cual
implica que no habrían años secos, en los cuales debería variar la demanda.
• El retorno de agua hacia los causes de los ríos es predefinido.
Desventajas
Ventajas
• Muy simple de representar
Representación estacional
36
IRD
Ejemplo de modelación en WEAP de la Demanda de Riego
Representación con balance hídrica
37 IRDEjemplo de representación en WEAP de un catchment de Riego
Representación con balance hídrica
38
IRD
• El caudal de retorno no es predefinido.• Considera variables climáticas (precipitación, temperatura, viento,
etc.) áreas de las zonas de riego, así como características de suelo y cobertura vegetal.
Ventajas
Desventajas
• No se puede definir directamente las concesiones dentro de un Catchment.
Representación con balance hídrica
IRD
Representación de la demanda con variación estacional de las concesiones y con Balance Hídrico
Representación mixta
40
IRD
Afinar los parámetros de la demanda
• Analizar el funcionamiento de las infraestructuras de captación asícomo la variabilidad y la evolución de caudales realmente derivados en zonas piloto ubicadas en las cuencas del Pita y San Pedro
• Estudio IRD-INERHI 1993 => ZARI 01 = 2,8 m³/s, ZARI 04 = 2,7• Estudio UICN-FONAG 2008 => ZARI 01 = 5,9 m³/s, ZARI 04 = 2
• => metodología• Recopilación de los datos existentes: Infraestructura, Caudales
derivados, Características de usos => Estudio IRD-INERHI 1993• Verificación del inventario anterior por:
- Recorrido de campo - Análisis de imágenes satelitales.
• Observación de los caudales derivados realmente en bocatomas • Instalación de regletas a la entrada de los perímetros de riego • Aforos simultaneo en tramos representativos
IRD Fuente: Codecame, Valenzuela 2005
0.4%1.0%0.6%45.1%5.5%47.3%365.63total
0.7%0.2%0.3%34.1%9.2%55.4%198.93San Pedro
0.0%2.0%0.9%58.2%1.2%37.7%166.69Jambeli
UrbanoTierra erosionada
Plantacion forestalParamosBosqueAgricolaArea
(km2)
Covertura de suelos - 1956
IRD Fuente: Codecame, Valenzuela 2005
2.6%2.9%3.1%27.3%4.7%59.4%365.63total
4.7%2.2%1.4%23.3%8.3%60.1%198.93San Pedro
0.1%3.7%5.1%32.1%0.4%58.6%166.69Jambeli
UrbanoTierra erosionada
Plantacion forestalParamosBosqueAgricolaArea
(km2)
Covertura de suelos - 2000
IRD
3.4%1.4%3.1%25.8%7.3%59.0%375.66total
6.3%0.7%3.2%20.8%10.7%58.7%202.570San Pedro
0.0%2.2%3.1%31.7%3.3%59.4%173.086Jambeli
UrbanoTierra erosionada
Plantacion forestal
ParamosBosqueAgricolaArea(km2)
Fuente: TNC-FONAG 2007
Covertura de suelos - 2007
IRD
Caracterización de las subcuencas
45
• Procesar y corregir los datos del SIG de los rios
IRD
Caracterización de las subcuencas
46
• Identificar los puntos de manejo y control, los cuales incluyen todos los puntos de la cuenca donde existe medición de caudales, reservorios existentes o futuros, lagunas naturales manejadas para producción hidroeléctrica, puntos de extracción de agua hacia canales, y puntos de retorno de agua desde canales
• => definición de las subcuencas
IRD
Caracterización de las subcuencas
47
• El área de cada subcuenca aguas arriba de los puntos de manejo se intercepta con las bandas de elevación y con las capas de cobertura vegetal.
• Cada subcuenca/banda de elevación es representada en WEAP como un objeto hidrológico denominado catchment.
• Cada catchment se representa con su área distribuida en porcentajes de cobertura de suelo
IRD
Caracterización de las subcuencas
48
• El área de cada subcuenca aguas arriba de los puntos de manejo se intercepta con las bandas de elevación y con las capas de cobertura vegetal.
• Cada subcuenca/banda de elevación es representada en WEAP como un objeto hidrológico denominado catchment.
• Cada catchment se representa con su área distribuida en porcentajes de cobertura de suelo
IRD
Caracterización de las subcuencas
49
• El área de cada subcuenca aguas arriba de los puntos de manejo se intercepta con las bandas de elevación y con las capas de cobertura vegetal.
• Cada subcuenca/banda de elevación es representada en WEAP como un objeto hidrológico denominado catchment.
• Cada catchment se representa con su área distribuida en porcentajes de cobertura de suelo
IRD
Calibrar los parámetros de los modelos oferta demanda de 1963 hasta 2006 al nivel mensual en subcuencas altas en la zona pilota de Pita y San Pedro
Objetivos a corto plazo
50
IRD
Objetivos a corto plazo
51
• Experimentar varias maneras de cortar el espacio de la cuenca
• Calibrar los modelos sobre toda la cuenca alta del Guayllabamba al nivel mensual de 1963 hasta 2006
IRD
Evaluación de los escenarios futuros
52
Global modeling
Regional downscaling
Rainfall & runoff
Impact analysis
How many simulations?
How to consolidate the results?
IRD
Cambio climático - indicadores
Muchos glaciares están desapareciendo en los Andes
53
2000 20051994Ejemplo Chacaltaya (Bolivia, 16°S) – © Bernard Francou
-1600
-1400
-1200
-1000
-800
-600
-400
-200
0
1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000
Cum
ulat
ive
leng
th e
volu
tion
(m)
-400000
-350000
-300000
-250000
-200000
-150000
-100000
-50000
0
Cum
ulat
ive
area
evo
lutio
n (m
²)
antizana 15Aantizana15byanamareybroggipastoruriuruashrajuCajapZongo (area)Charquini-S (area)Chacaltaya (area)
Retiro de 10 glaciares en los Andes (1940-2004) Bolivia,
Peru, Ecuador
Fuente Francou & al 2007
IRD
Cambio climático - Retos
Reciente estudio del IPCC =>• Aumento de la temperatura >> aumento de la ET >> aumento de
la demanda en periodos secos.• Aumento P y Q media anual en latitudes altas y en areas tropicales
húmedas - reducción en latitudes medias• Acentuación de los contrastes y de los fenómenos extremos :
extensión de las areas de sequias, aumento de frecuencia de las canículas y fuertes precipitaciones.
• Disminución de las reservas de agua contenidas en glaciare y cuberturas de nieve
• Riesgo de extinción de 20% o 30% de las especies de plantas y animales
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IRD
Discusión
Afinar los datos, sobre todo de usos de riego
Mejoramiento de la representación glaciar?
Necesidad de otra conceptualización del
funcionamiento de los páramos? Datos? Colaboraciones?
Extensión atoda la zona del Antizana
=> Proyectos PRAA, EMAAP=> disponibilidad de datos?
55Cotopaxi
Cayambe
Antisana
IRD
Herramientas y retos de la GIRH
• Elaboración de escenarios de tendencias o crisis (oferta, demanda) por uso de modelos de previsión (plurianual o estacional) tanto en ciencias físicas como en sociales
• Uso de modelos de simulación para (1) examinar las consecuencias de los escenarios (2) verificar la eficiencia de las medidas correctivas (reglas, nuevas obras, …).
• Uso de modelos de comportamiento como soporte de concertación y resolución de conflictos.
• Concertación entre organizaciones de gestión, entidades científicas y universidades, para elaborar modelos adaptados, sus usos convenientes y la capacitación del personal técnico
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IRD
Herramientas y retos de la GIRH
Evaluación de las dinamicas de las demandas
Evaluación de los escenarios futuros
Evaluación de las dinamicas de los recursos
GESTIÓN
OBRAS HIDRAULICAS
CUENCAS USOS
Impactos
AportesPartición y
distribución
Retornó
Ofertas
Demandas
Contexto tecnológico y socio-económico
Clima, precipitaciones,evaporaciones
BASES DE DATOSINSTITUCIONES
SIRH
BD local Mapas Web
Admin
Internet Usuario
57 IRD
Study DefinitionSpatial Boundary System ComponentsTime Horizon Network Configuration
EvaluationWater Sufficiency Ecosystem RequirementsPollutant Loadings Sensitivity Analysis
Current AccountsDemand Pollutant GenerationReservoir Characteristics Resources and SuppliesRiver Simulation Wastewater Treatment
ScenariosDemographic and Economic ActivityPatterns of Water Use, Pollution GenerationWater System InfrastructureHydropowerAllocation, Pricing and Environmental PolicyComponent CostsHydrology
Proceso de los estudios
IRD
Uso de la herramienta WEAP
59 IRD
Uso de la herramienta WEAP
6060
60
IRD
References
• Ayabaca, E., “Agua Potable para el Distrito Metropolitano de Quito hasta el año 2055”, Primer congreso internacional en Agua Potable y Saneamiento, 27, 28 et 29 sep. 2006, Ibarra, Ecuador, (2006), 26 p.
• De Bievre, B., Coello, X., “Caracterización de la demanda hídrica”, Proyecto Manejo Integrado de los Recursos Hidricos en la Hoya de Quito, UICN-Sur, Ecuador, ago. 2007, 33 p.
• De Bievre, B., Coello, X., De Keizer, O., Maljaars, P., “Modelo hidrológico de la hoya de Quito”, Proyecto Manejo Integrado de los Recursos Hidricos en la Hoya de Quito, UICN-Sur, Ecuador, feb. 2008, 31 p.
• Fossati O., Calvez R., 2006. Requerimientos cientificos para caudales ecologicos en rios del sistema Papallacta, Ecuador, Rapport IRD, Montpellier, 10-juil-2006, 22 p.
• Francou, B. & Vincent, C., “Les glaciers à l'épreuve du climat”, coédition IRD / Belin, ISBN 9782701146416, (2007), 276 p.
• Mafla, E., “Evaluación de los Requerimientos para el Sistema de Información sobre Recursos Hídricos”, Proyecto Manejo Integrado de los Recursos Hidricos en la Hoya de Quito, UICN-Sur, Ecuador, 2007, 25 p.
• Pouget J.C., 2008. Construcción orientada a objetos de modelos de apoyo a la gestión de los recursos hídricos. IV Jornadas de Ingeniería de Sistemas Informáticos y de Computación - ISIC 2008, Hotel Quito, 14 noviembre 2008, 9 p. (published junio-2009)
• Pouget J.C., Calvez R., Le Goulven P., Lloret P., Villacis M., 2008. Challenges of water resources planning in the Andes - The case of Quito in Ecuador. XIIIth World Water Congress, Montpellier, France, 1-4 September 2008, 14 p.
• Villacis, M., “Ressources en eau glaciaire dans les Andes d’Equateur en relation avec les variations du climat : Cas du volcan Antisana”, Thèse Université Montpellier 2, (2008), 219 p.
• Yates, D., Sieber, J., Purkey, D., Hubert-Lee, A., “WEAP21 – A demand-, priority-, and preference-driven, water planning model”, Water International, Vol. 30, No. 4, (2005), p. 487-500.
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