XXIII SEMINARIO NACIONAL DE HIDRÁULICA E HIDROLOGÍA.

IBAGUÉ, 15 AL 17 DE AGOSTO DE 2018.

MONITOREO Y ALERTAS TEMPRANAS FRENTE AL

ABASTECIMIENDO HÍDRICO EN CALDAS

Alejandro Marulanda Aguirre

1 Jorge Julián Vélez Upegu1

1 Olga Lucía

Ocampo López2

1 Universidad Nacional de Colombia sede Manizales, Colombia, email amarulandaa@unal.edu.co

jjvelezu@unal.edu.co. 2Universidad Autónoma de Manizales, Colombia, email

olocampo@autonoma.edu.co

RESUMEN:

El Niño Oscilación del Sur (ENOS) determina el régimen climático de

eventos extremos en Colombia. El territorio se enfrenta permanentemente a

temporadas de excesos y déficit hídrico y tales escenarios representan un desafío

para el abastecimiento de las comunidades por la gran fluctuación de caudales a

lo largo del tiempo. Los efectos de la sequía son particulares en cada región y

generan impactos económicos, ambientales y sociales. La metodología propuesta

contempla la caracterización climática, la definición del régimen hídrico, el

análisis de la curva de recesión y la estimación probabilística de caudales

mínimos. Los resultados permiten identificar intensidad, frecuencia y duración

de las épocas de estiaje y permiten reconocer las características más importantes

del comportamiento hídrico para el seguimiento y evaluación de las épocas de

escasez.

ABSTRACT:

In Colombia, the climatic regimen of extreme events is determinate by the

El Niño South Oscillation (ENSO).Water deficit and water excess is permanently

present in the territory and such scenarios represent a challenge for the water

supply of communities due to high fluctuation of flows. In each region, the drought

effects are particular and generate economic, environmental and social impacts.

The proposed methodology considers the climatic characterization, the water

regime definition, the recession curve analysis and the probabilistic estimation of

minimum flows. The results allow identifying intensity, frequency and duration of

drought season and allow recognizing the most important characteristics of water

behavior for the monitoring and evaluation of times of scarcity.

PALABRAS CLAVE: Sequía, déficit hídrico, alerta temprana, recesión,

abastecimiento, acueducto.

INTRODUCCIÓN

El territorio nacional se enfrenta permanentemente a condiciones

climáticas que fluctúan todo el tiempo y bajo un comportamiento de oscilación

que se puede evidenciar a través de los registros históricos. Tal dinámica puede

ser representada a través del ciclo hidrológico en el cual se puede modelar las

condiciones de los cuerpos de agua para identificar el régimen hídrico de las

fuentes de las cuales se benefician los acueductos con el fin de reconocer los

escenarios bajo desabastecimiento. Detrás de los escenarios de desabastecimiento

se encuentran los eventos de sequía, los cuales están altamente determinados por

El Niño Oscilación del Sur (ENOS) y que se ven acentuados por cambio

climático. (FAO, 2009) (IDEAM, 2009) (IDEAM, 1997) (NOAA, 2018) (IPCC,

2013) (IPCC, 2014).

El departamento de Caldas se encuentra localizado en la región andina de

Colombia en el centro occidente del país y el abastecimiento de sus comunidades

proviene de las áreas abastecedoras de alta montaña, en donde los caudales han

disminuido considerablemente en periodos destacados como 1982-83, 1997-98 y

2015-2016, en éste último los acueductos más afectados fueron los de los

municipios de Salamina, La Merced y Norcasia (UNESCO, 2002) (Null (CCM),

2017) (IDEAM, 2007) (CORPOCALDAS, 2016). El desabastecimiento por déficit

hídrico no es suficientemente reconocido como un problema debido a que existen

premisas de riqueza hídrica en el país, acompañado de una gestión reactiva de las

mismas.

METODOLOGÍA

La metodología propuesta contempla la evolución de la sequía en diferentes

componentes del ciclo hidrológico tales como el componente meteorológico, el

componente agrológico y el componente hidrológico. Las variables propuestas para

el monitoreo del ciclo hidrológico son climáticas tales como precipitación y

temperatura, agrológicas tales como la humedad del suelo e hidrológicas tales como

caudales. Las variables no sólo son útiles en el monitoreo de temporadas secas sino

de temporadas húmedas, lo cual representa un monitoreo climático integral frente a

eventos extremos. El análisis se realiza sobre las áreas abastecedoras de los tres

acueductos municipales identificados durante el periodo seco 2015-2016.

Figura 1. Metodología del monitoreo del ciclo hidrológico.

1 •Caracterización climática: Prepicitación y temperatura

2 •Caracterización agrológica: Humedad del suelo

3 •Caracterización hidrológica: Régimen de caudales

La definición de los umbrales busca en reconocer las características más

importantes de las épocas de estiaje, mientras que las investigaciones de

abastecimiento permiten determinar las variables de mayor relevancia y los valores

establecidos para el sistema de alertas tempranas por sequía.

Política Nacional para la Gestión Integral del Recurso Hídrico

PNGIRH en Colombia.

Los objetivos de la PNGIRH plantea objetivos como la Oferta hídrica con

estrategias de conocimiento, planeación y conservación; Demanda, Calidad,

Riesgos con estrategias de divulgación, incorporar en la planeación y reducción y

adaptación; Fortalecimiento institucional con estrategias de Mejoramiento de la

gestión, formación e investigación y otras; finalmente la gobernanza.

Entendimiento de la Sequia

El autor Donald Wilhite ha realizado diferentes estudios de la Sequía desde

la Universidad de Nebraska, el cual propuso el siguiente esquema en el que se

interrelacionan los tres tipos de sequía de acuerdo a la evolución temporal del

evento, el cual es tomado como referente para establecer la metodología propuesta.

Figura 2. Evolución y relación entre tipos de sequía (Wilhite, 2000).

RESULTADOS

Los resultados se han concentrado en tres de los acueductos municipales de

Caldas que han presentado problemas de abastecimiento por déficit hídrico durante

la temporada seca 2015-2016 producto del evento ENOS fase cálida sobre las áreas

abastecedoras denominadas Boquerón, Chagualito y El Uvito en Salamina, Santana,

La Isabel y El Rosario en La Merced y Las Pavas, Montebello y La Virgen de

Variabilidad natural del clima

Déficit de precipitación(Cantidad, intensidad y tiempo)

Reducida infiltración, escorrentía, profundidad de percolación y recarga de acuíferos

Alta temperatura, fuertes vientos, baja humedad relativa, mayor sol, menor nubosidad

Aumenta evaporación y transpiración

Déficit de agua en el suelo

Estrés hídrico en la planta, reducción de biomasa y rendimiento

Reducción de caudal, recarga de embalses, lagos y estanques; reducción de humedales y hábitat de vida silvestre

Impactos económicos Impactos sociales Impactos ambientales

Sequ

ía

hidr

ológ

ica

Sequ

ía

agrí

cola

Sequ

ía

met

eoro

lógi

ca

Tiempo

Norcasia. Una vez delimitadas las áreas aferentes, son caracterizadas por clima.

Figura 3. Áreas abastecedoras objeto de análisis.

Caracterización climática

La información parte del análisis espaciotemporal de las series de

precipitación (en milímetros/día) y temperatura (en ºC), específicamente sobre las

condiciones medias de cada una de las áreas abastecedoras de los acueductos.

Figura 4. Series de Precipitación y Temperatura – Boquerón, Salamina.

Se realizó un análisis de correlación entre las variables de precipitación y

temperatura sobre los valores acumulados en el cual se obtuvo una excelente

correlación, sin embargo al realizar el análisis comparativo entre valores

individuales del mismo día se obtuvo alta dispersión, especialmente en días de baja

precipitación, en los cuales las temperaturas fluctuaron entre 8 y 17 grados

centígrados, condición en la cual es determinante las condiciones antecedentes y

requerirá mayor investigación.

8

18

280

50

100

01/01/81 21/11/86 10/10/92 30/08/98 19/07/04 08/06/10

T (

ºC)

P (

mm

)

Diario Pmm Tmed°C

Figura 5. Correlaciones entre Precipitación/Temperatura.

De otro lado se ha realizado un análisis de los valores máximos, medios y

mínimos a diferentes escalas temporales, lo cual nos permite identificar diferencias

sustanciales a la hora de realizar análisis hídricos, especialmente de extremos.

Tabla 1. Valores precipitación y temperatura a diferentes escalas temporales en el área

abastecedora denominada Boquerón, Salamina. Escala

/

Variable

Ppt

Máxima

(mm/día)

Ppt

Media

(mm/día)

Ppt

Mínima

(mm/día)

Temp

Máxima

(ºC)

Temp

Media

(ºC)

Temp

Mínima

(ºC)

Diaria 92.2 5.3 0 16.9 11.4 7.3

Mensual 546.7 162.6 10.2 13.9 11.4 10.0

Anual 2561.6 1950.7 1386.4 12.9 11.4 10.5

Mensual multianual 7983.8 4876.8 2703.7 11.8 11.4 11.0

De la anterior tabla destacan los valores diarios con suficiente resolución en

términos de las magnitudes de las diferentes variables. Los valores anuales son

útiles para identificar años húmedos, normales o secos asociados a las condiciones

del ENOS, pero no para hacer análisis de condiciones extremas. Finalmente los

valores mensuales multianuales obedecen inicialmente a la sumatoria de los

promedios de cada mes y que son útiles para validar el comportamiento bimodal,

pero no para hacer el análisis de condiciones extremas.

Para el análisis del balance atmosférico se ha recomendado a nivel nacional

(IDEAM) y a nivel internacional (OMM) el uso del Índice de Precipitación

Estandarizado, SPI por sus siglas en inglés, definido por su autor como “La media

para un periodo de tiempo específico dividido entre la desviación estándar, Donde

la media y la desviación estándar están determinados a partir de series históricas”

(McKee et al, 1993). Tal indicador ha sido complementado con la

Evapotranspiración con el denominado Índice de Precipitación y

Evapotranspiración Estandarizado, SPEI por sus siglas en Ingles. En otras palabras

lo que se busca en normalizar las condiciones atmosféricas en donde el promedio es

igual a cero, con la posibilidad de evaluar anomalías meteorológicas. El índice debe

alinearse con la duración del origen o la causa de la sequía y para lo cual se hace

uso del Índice Oceánico El Niño, ONI por sus siglas en inglés (NOAA, 2018) ya

que allí se evidencian los efectos acumulados producidos por “El Niño” como

mayor detonante de eventos secos (ver gráfica ONI vs SPEI).

y = 2.1593x - 1356

R² = 0.9993 0

50000

100000

150000

0 20000 40000 60000 80000

Ppt vs Temp

y = -0.0039x + 11.44

R² = 0.0008 0

5

10

15

20

0 20 40 60 80 100

X:Ppt Y:Temp

Figura 6. Índice de Precipitación/Evapotranspiración Estandarizado (SPEI) Área

abastecedora Chagualito, Salamina.

El SPEI clasifica la sequía a partir de las siguientes categorías:

Tabla 2. Categorías del SPI.

Valores del SPI Categoría Tiempo

0 a -0.99 Sequía leve 34.1%

-1.00 a -1.49 Sequía moderada 9.2%

-1.50 a -1.99 Sequía severa 4.4%

≤ -2.00 Sequía extrema 2.3%

Tal categorización permitió obtener las siguientes características de los

eventos de sequía:

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 500 1000 1500 2000

F(X

)

Di= Ppt-ETP

0

500

1000

1500

2000

Di

-2

-1

0

1

2

SP

EI

12

M

ES

ES

-2

-1

0

1

2

SP

EI

12

ME

SE

S

-2

-1

0

1

2-3

-1.5

0

1.5

3

ONISPEI

-3

-2

-1

0

1

2

SP

EI

18

ME

SE

S

Figura 7. Intensidad, duración y ocurrencia de la sequía meteorológica – Norcasia.

La gráfica anterior permite identificar que las sequías severas y extremas

cuentan con baja probabilidad de ocurrencia y muy corta duración, mientras que las

sequías moderadas y leves su probabilidad de ocurrencia y duración son mayores.

Caracterización agrológica

La caracterización agrológica propuesta obedece únicamente a la

disponibilidad de humedad en el suelo para el crecimiento de las plantas y

generación de biomasa, es decir, el déficit de humedad en los suelos genera estrés

hídrico en las plantas y reduce el rendimiento de las plantas en generar biomasa.

Así mismo representa la capacidad de retención y almacenamiento hídrico por parte

de los suelos como un proceso fundamental para el abastecimiento en épocas de

estiaje y su comportamiento está definido por la curva de recesión.

Para establecer las condiciones agrológicas se puede recurrir a información

observada asociada a la humedad de los suelos o a información modelada, caso en

el cual se obtiene valores asociados al suelo a través del proceso de calibración. Así

mismo se puede extraer las condiciones de abatimiento buscando encontrar los

parámetros de la ecuación para la curva de recesión establecida por la Organización

Meteorológica Mundial (OMM, 2016) como:

[1]

Donde Qo es el caudal inicial o de referencia, α es la constante de recesión

particular de las áreas abastecedoras y t es el tiempo de residencia. Tal condición es

fundamental para reconocer el tiempo sin precipitación en el cual se presenta una

reducción entre un caudal de referencia (adoptado como caudal promedio) y un

caudal mínimo (Caudal que se presenta un 95% del tiempo extraído de la Curva de

duración de Caudales CDC).

Del mismo modo que se normalizó la precipitación, los autores proponen

normalizar la humedad de los suelos descrita a través de la modelación hidrológica

del modelo SHIA utilizado (Vélez, J.I. 2001), puesto que ello permite establecer la

anomalía de tal variable.

0%

10%

20%

0

10

20

30

40

Leve Moderada Severa ExtremaD

ura

ció

n (

mes

es)

Pro

bab

ilid

ad

ocu

rren

cia

Intensidad

Las Pavas - Norcasia

Duración (meses)

Probabilidad (x)

teQtQ 0

Figura 8. Índice de Humedad en el suelo Estandarizado (SHI) Área abastecedora El

Rosario, La Merced.

De otro lado, reconociendo la curva de recesión como una de las

características más relevantes del hidrograma en su tramo descendente que permite

identificar el tiempo o la duración frente a un periodo inicial de ausencia de

precipitación que deriva en reducción de caudales, se establecen umbrales para los

diferentes acueductos a través del análisis sobre cada una de las áreas

abastecedoras. A continuación se muestra el análisis realizado por Aguas de

Manizales (Aguas de Manizales, 2015) con datos observados, así como los

resultados de una de las áreas abastecedoras obtenidos a través de las modelación

hidrológica.

Figura 9. Curvas de recesión observada (Manizales) y simulada (La Merced).

A continuación se muestran los resultados obtenidos de los umbrales por

déficit de precipitaciones para las diferentes áreas abastecedoras:

Tabla 3. Umbrales obtenidos de la curva de recesión entre un caudal medio y un caudal

mínimo (95%CDC) bajo ausencia de precipitación.

Áreas aferentes Salamina Chagualito Boquerón El Uvito Subtotal

Alerta Roja Recesión Qmed-Q95% (días) 79 83 44 69

Alerta Naranja (días sin lluvia) 59 62 33 52

Alerta Amarilla (días sin lluvia) 40 42 22 35

Áreas aferentes La Merced La Isabel El Rosario Santana Subtotal

Alerta Roja Recesión Qmed-Q95% (días) 83 87 87 86

Alerta Naranja (días sin lluvia) 62 65 65 65

Alerta Amarilla (días sin lluvia) 42 44 44 43

-1.5

-0.75

0

0.75

1.5

SH

I 1

2 M

ES

ES

300

350

400

450

500

550

600

1 5 9

13

17

21

25

29

33

37

41

45

49

Cau

dal

(L

/s)

Días sin lluvia

y = -40.11ln(x) + 415.8

R² = 0.9631

0

10

20

30

40

50

600.00

0.00

0.01

0.10

1.00

P (

mm

)

Cau

dal

(m

³/s)

Fecha

El Rosario

Áreas aferentes Norcasia Las Pavas Montebello La Virgen Subtotal

Alerta Roja Recesión Qmed-Q95% (días) 70 68 68 69

Alerta Naranja (días sin lluvia) 59 62 33 52

Alerta Amarilla (días sin lluvia) 40 42 22 35

De los resultados iniciales se puede concluir que para los acueductos de

Salamina y Norcasia se obtiene un umbral en días sin precipitación a partir de

condiciones medias de 69 días para alerta roja, 52 días para alerta naranja y 35 días

para alerta amarilla; para el acueducto de La Merced se obtiene un umbral de

duración sin precipitación de 86 días para alerta roja, 65 días para alerta naranja y

de 43 días para alerta amarilla.

Caracterización hidrológica

La caracterización hidrológica propuesta por los autores y con fines de

monitoreo y seguimiento de la sequía en términos hidrológicos plantea el

seguimiento del Índice de Caudales Estandarizados (SQI) aplicando la misma

metodología de normalización del SPEI puesto que su propósito es establecer la

anomalía del caudal instantáneo. Se recomienda permanente medición de caudales

diarios para análisis históricos, instantáneos y futuros.

Figura 10. Índice de Caudales Estandarizado (SQI) Área abastecedora El Rosario, La

Merced.

El análisis temporal permite validar ciertas hipótesis como el

comportamiento bimodal a través de los caudales mensuales multianuales o

comportamientos históricos secos, normales o húmedos de acuerdo al contexto

climático, especialmente asociado al ENSO. No obstante para el análisis del

abastecimiento la escala temporal recomendada es la escala diaria tal como se

observa en la siguiente tabla.

Tabla 4. Caudales obtenidos a diferentes escalas temporales.

Escala Q máx (m³/s) Q med (m³/s) Q mín (m³/s)

diaria 0.778 0.094 0.011

Mensual 0.388 0.094 0.014

Mensual multianual 0.155 0.094 0.049

anual 0.138 0.094 0.053

-3

-2

-1

0

1

2

SQ

I 1

2 M

ES

ES

De los caudales obtenidos se hizo el comparativo con el ONI encontrando

alta correlación entre los eventos ENOS fase cálida o “El Niño” y caudales

mínimos; en los casos que no coincidió obedece al desfase o rezago temporal

porque evidentemente el año 1992 fue seco.

Tabla 5. Correlación entre caudales mínimos y ONI.

Fecha 23/08/02

05/07/92

01/07/87

30/06/87

04/07/92

10/07/97

29/06/87

22/08/02

03/07/92

09/07/97

08/07/97

02/07/92

07/07/97

Q mín

(L/s) 37.3 37.9 38.2 38.3 38.3 38.4 38.7 38.7 38.7 38.8 39.2 39.2 39.6

ONI 0.9 0.4 1.2 1 0.7 1.6 1.2 0.9 1.6 1.6 1.6 0.4 1.6

Finalmente la caracterización parte de la descripción de régimen de

caudales a partir de la Curva de Duración de Caudales del análisis integrado

entendido como la sumatoria de las áreas abastecedoras que, en contraste con la

demanda, permite establecer las condiciones del abastecimiento.

Figura 11. Análisis integrado en el que se compara la oferta frente a la demanda.

De las gráficas anteriores se puede observar que el acueducto de Salamina

cuenta con disponibilidad hídrica el 100% del tiempo, sin embargo presenta

conflicto con el caudal ambiental en época de estiaje. De otro lado el acueducto

municipal de La Merced presenta desabastecimiento durante un 59% del tiempo y

el de Norcasia durante un 62% del tiempo.

CONCLUSIONES El monitoreo climático, agrológico e hidrométrico sobre las áreas

abastecedoras se convierten en el insumo fundamental para reducir la incertidumbre

asociada a los resultados simulados.

0.0

0.5

1.0

1.5

0% 50% 100%

Cau

dal

(m

³/s)

% de excedencia

Análisis integrado Salamina

Oferta

Demanda

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0% 50% 100%

Cau

dal

(m

³/s)

% de excedencia

Análisis integrado La Merced

Oferta

Demanda

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0% 50% 100%

Cau

dal

(m

³/s)

% de excedencia

Análisis integrado Norcasia

Oferta

Demanda

El abastecimiento no sólo depende de condiciones de oferta y déficit

hídrico, sino de condiciones de calidad hídrica, de la demanda y de la

infraestructura asociada.

Los eventos extremos obedecen a una oscilación del clima, por tanto es

necesario comprender su relación, ya que las medidas de gestión y planeación

deben comprender todo el régimen hídrico.

La incertidumbre se reduce a partir de la validación de la información

utilizada, de obtener buenos resultados aplicando criterios de regionalización en los

parámetros utilizados en la modelación y desde el análisis de sensibilidad del

modelo que permite comprender mejor la respuesta hidrológica en casos extremos.

La escala temporal es determinante en el análisis de eventos extremos en

el que la escala recomendada para la sequía acorde al estudio es la escala diaria.

Un indicador de alerta temprana por sequía puede ser el ONI ya que éste

representa periodos de menor humedad disponible en la atmósfera producto del

ENOS en su fase cálida “El Niño” con alteraciones provenientes del pacífico.

El SPEI es un indicador versátil, simple y de fácil comprensión. Sin

embargo la lectura del índice a diferentes escalas debe obedecer a criterio experto

con base en la duración de los episodios de estiaje ya que en muchos casos

(especialmente en escalas cortas 1/3 meses) el índice no refleja los efectos e

impactos de la sequía.

El SHI permite evidenciar la anomalía por reducción de humedad en el

suelo que compromete el abastecimiento derivando en reducción de caudales

asociados al interflujo. Igualmente es un excelente índice para determinar

afectaciones en cultivos.

Las curvas de recesión logran dar respuesta al tiempo que transcurre entre

un caudal medio y un caudal mínimo por ausencia de precipitaciones como el

principal desarrollo de alerta temprana al desabastecimiento.

Por tal razón es posible concluir que la característica más importante en

periodos de estiaje es la duración, puesto que refleja los efectos acumulados a lo

largo del tiempo.

El SQI permite establecer la anomalía de los caudales que se presentan en

una corriente. Éste índice permite establecer desde el monitoreo, el estado actual de

los caudales respecto a su régimen histórico.

La baja regulación y retención hídrica no solo depende de las condiciones

físicas, sino que depende en gran medida de las condiciones climáticas.

La metodología logra dar respuesta a la evolución la sequía como un

proceso en el que interactúan el agua y demás componentes físicos como el suelo.

Los resultados buscan estar alineados a los objetivos de Oferta, Demanda

y Riesgo de la Política Nacional para la Gestión Integral del Recurso Hídrico.

AGRADECIMIENTOS

Los autores presentamos agradecimientos a la Universidad Nacional de

Colombia sede Manizales y a su Grupo de Trabajo Académico en Ingeniería

Hidráulica y Ambiental, así como a la Corporación Autónoma Regional de Caldas

Corpocaldas

REFERENCIAS

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CORPOCALDAS. (2016). Boletín N° 25 Informe final desabastecimiento hídrico

Fenómeno de “El Niño” 2015 - 2016. Manizales: Corporación Autónoma de Caldas.

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Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación FAO.

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