modelación hidrológica continua basada en minería de datos

8/16/2019 Modelación Hidrológica Continua Basada en Minería de Datos

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Universidad Mayor de San Simón

Facultad de Ciencias y Tecnología

Carrera de Ingeniería Civil

Laboratorio de Hidráulica

Modelación Hidrológica Continua

Basada en Minería de Datos

Tesis de Grado, Presentado Para Optar al Diploma Académico de

Licenciatura en Ingeniería Civil.

Presentado por: PABLO PARDO VARGAS

Tutor: PhD. MSc. Ing. Mauricio Florencio Villazón Gómez

COCHABAMBA - BOLIVIA

Diciembre 2014


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De la lluvia, de la niebla, se desliza el agua

para esconderse en el suelo, y dormir el sueño de la creación.

Hasta que, de pronto, se despierta y sale a recorrer caminos,

a llenar huecos,a formar ríos que sueñan con ser mar…

En su andar entre rocas, pajonales, hierbas y llanuras,el agua va calmando la sed de todo el mundo.

La sed de la tierra, la sed de la gente, La sed de animalitos y la sed de las plantas

que siempre la esperan con ansiedad y alegría. El agua siente que florece en el verdor vegetal

por eso canta con voces de vidrio, de metal o de piedra.Y sabe que nadie podrá quitarle esa emoción,

porque hay quienes vigilan y defienden su destino…

“Todos los ríos van al mar, pero el mar no se llena. Al lugar de donde los ríos vinieron,allí vuelven para correr de nuevo”. (Eclesiastés 1:7)

“… como nuestra sangre, el agua es la vida. El agua sirve para todo, es como sangre de la Pachamama” . (Bartolo Otavalo)

“ Para proteger tus ríos, protege tus montañas”. (Emperador chino Yu «el Grande»)

“Si retienes la gota de lluvia en las laderas, habrás vencido la inundación en el valle,transformando a la vez el escaso manantial en fuente copiosa”. (Refrán español)

“La mayoría de los fenómenos hidrológicos naturales son tan complejos que están másallá de la comprensión, o no se han descubierto leyes totalmente exactas que gobiernentales fenómenos. Antes de que puedan encontrarse tales leyes en la vida, los fenómenohidrológicos complicados (prototipo) sólo pueden ser aproximados por la modelación” . (Ven Te Chow)

“ Lo que sabemos es una gota de agua; lo que ignoramos es el océano”. (Isaac Newton)


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Dedicatoria

Pablo Pardo Vargas i

DEDICATORIA.

Dedico este trabajo a mis queridos padresAurelio Pardo

yMaría Irene Vargas mis queridos hermanosElena,

Alicia, Ruth, Noél yArcenio y mis queridas sobrinas

Ghesenia Brenda y Sabrina; por todo el cariño, el apoyo

incondicional, el sacrificio y la comprensión brindada

para vencer esta etapa de mi vida.


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Agradecimientos

Pablo Pardo Vargas ii

AGRADECIMIENTOS.

A Dios, por darme el don de la vida, sabiduría, perseverancia, paciencia ysalud; para poder culminar este nuevo reto de mi vida. A mis padres y hermanos por su ayuda, apoyo, confianza, comprensión paciencia durante el tiempo que duró preparar esta investigación. A mi tutor, PhD. MSc. Ing. Mauricio F. Villazón por su confianza, amistad, guía, interminable paciencia y por su invaluable aporte de ideas yconocimientos brindados. Al Ing. Edgar Montenegro por su apoyo,colaboración, observaciones y consejos. Al Ing. Helmer Rodríguez por sobservaciones, consejos y comentarios. Al Ing. Marko Andrade por surecomendaciones. A la Universidad mayor de San Simón-UMSS por l formación académica que me ha brindado. Al Laboratorio de HidráulicaLHUMSS y todo su personal Docente y Administrativo por su apoyo,confianza y amistad. Al Proyecto“Generaciónde conocimiento y fortalecimiento de capacidadescomo respuesta de adaptación a los cambios ambientales en los Andes- CIMA” ,a la Iniciativa Regional de Monitoreo Hidrológico de Ecosistemas AndinosiMHEA, al Consorcio para el Desarrollo Sostenible de la Ecorregión AndinaCONDESAN, a la ONG CEDESCO y a la comunidad de Titiri, por que sinellos no hubiera sido posible la realización de esta investigación. A Mariela Vargas por su amor y apoyo incondicional, especialmente en lomomentos más difíciles. A mis amigos Simón, Alfred, Jonnathan, Carla, Oscar y Edy que estuvieroconmigo en las buenas y en las malas.

Por ultimo quisiera agradecer de corazón a todos mis maestros, que desde lescuela hasta la universidad han dedicado tiempo y esfuerzo a mi formación.¡Muchas Gracias!

Pablo Pardo VargasCochabamba, Diciembre 2014


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Ficha Resumen

Pablo Pardo Vargas iii

FICHA RESUMEN.

El presente trabajo de investigación consiste en la implementación del monitorehidrológico de dos microcuencas Altoandinas mediante la metodología de cuencas paread propuesta por la Iniciativa Regional de Monitoreo Hidrológico de Ecosistemas AndinoiMHEA; dos microcuencas, una alterada por la actividad antrópica y la otra en estado dconservación, del ecosistema tipo Puna de los Andes tropicales en la comunidad de Titirdel municipio de Tiquipaya del departamento de Cochabamba (cuencas que aportan suaguas al embalse de Misicuni). Posteriormente se realizó una simulación continua con lodatos de precipitación y caudal del monitoreo hidrológico en el modelo conceptuaagregado de lluvia-escorrentía VHM, basado en la técnica de minería de datos.

El estudio parte de la implementación del monitoreo hidrológico de las microcuencahaciendo la elección de los sitios de monitoreo, la calibración e implementación dinstrumentos de medición hidrometeorológicos y una caracterización hidrológica de lamicrocuencas por medio de Modelos Digitales de Elevación de resolución 30*30 m de lositios de estudio.

La simulación del caudal es realizada en base a la técnica de minería de datos mediante uenfoque secuencial, utilizando el filtro digital numérico WETSPRO para el fraccionamiende la descarga en diferentes subflujos (herramienta Subflow filtering) y hallar la constan

de recesión de cada subflujo; y también para la Selección de Eventos independiente(herramienta POT-Selection) de caudales altos y bajos; luego estos datos junto con lodatos de caudal observado, lluvia y evapotranspiración son cargados al modelo VHMrealizando su posterior calibración y validación con la aplicación de la herramientCALITOOL. Se modificó la técnica del filtrado aumentando el filtro del cuarto reservorsubflujo Lowerbaseflow, para mejorar la simulación de la recesión de la época de estiaje;además, se agregó al modelo la Onda Cinemática para simular mejor los picos de caudal.

Los resultados del monitoreo hidrológico fueron presentados como IndicadoreHidrológicos del sitio de monitoreo en el taller regional “Diálogo entre la Ciencia y la

Política” en Quito-Ecuador. Los resultados de la modelación muestran que el modelo VHMes un modelo robusto y operacional para la región de estudio, y que las modificacioneañadidas al modelo Lowerbaseflow y Onda Cinemática, mejoraron el desempeño demodelo VHM.


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INDICE GENERAL.

DEDICATORIA. ..........................................................................................................................AGRADECIMIENTOS. ...............................................................................................................FICHA RESUMEN. .....................................................................................................................INDICE GENERAL. ....................................................................................................................INDICE DE FIGURAS. ...............................................................................................................INDICE DE TABLAS. .................................................................................................................

CAPITULO 1. INTRODUCCION. ...........................................................................................

1.1. ANTECEDENTES. ...................................................................................................................1.2. JUSTIFICACION. .....................................................................................................................1.3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. ..................................................................................1.4. OBJETIVOS. .............................................................................................................................

1.4.1. OBJETIVO GENERAL. .....................................................................................................1.4.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS..............................................................................................

1.5. ZONA DE ESTUDIO. ...............................................................................................................1.5.1. LA PUNA EN BOLIVIA. ..................................................................................................

1.5.2. UBICACION DE LA ZONA DE ESTUDIO.......................................................................1.5.3. CLIMA. ..............................................................................................................................1.5.4. TOPOGRAFIA. ..................................................................................................................1.5.5. ESTRATIGRAFIA. ............................................................................................................

CAPITULO 2. MARCO TEORICO. ........................................................................................2.1. PRECIPITACION. .....................................................................................................................2.2. MEDICION DE LA PRECIPITACION. ....................................................................................

2.2.1. PLUVIOGRAFO DE CUBETA BASCULANTE. ..............................................................2.2.1.1. CALIBRACION ESTATICA............................................................................................ .

2.2.1.1.1. CALCULO DEL ERROR............................................................................................2.2.1.2. CALIBRACION DINAMICA...........................................................................................

2.3. MEDICION DE CAUDAL. .......................................................................................................2.3.1. NIVEL DE AGUA. ............................................................................................................2.3.2. COMPENSACION POR PRESION ATMOSFERICA. ......................................................


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2.3.3. COMPENSACION POR TEMPERATURA. ......................................................................2.3.4. CALIBRACION. ................................................................................................................

2.3.4.1. LABORATORIO...............................................................................................................2.3.4.2. CAMPO.............................................................................................................................

2.3.5. VERTEDEROS DE PARED DELGADA. .......................................................................... 2.3.5.1. GEOMETRIA Y ECUACION DEL VERTEDERO..........................................................2.3.5.2. LUGAR DE EMPLAZAMIENTO....................................................................................

2.4. MODELACION HIDROLOGICA. ............................................................................................2.5. EL ENFOQUE DE LA MINERIA DE DATOS Y EL MODELO CONCEPTUAL AGREGAVHM... .................................................................................................................................................

2.5.1. ESTRUCTURA GENERALIZADA DEL MODELO CONCEPTUAL AGREGAVHM....... ..........................................................................................................................................2.5.2. MEJORAS PROPUESTAS AL MODELO VHM. ..............................................................

2.5.2.1. CUARTO RESERVORIO - LOWERBASEFLOW...........................................................2.5.2.2. ONDA CINEMATICA - KINEMATIC WAVE APPROXIMATION................................

2.5.3. PARAMETROS DEL MODELO VHM. .............................................................................2.5.4. CALIBRACION, VALIDACION Y EVALUACION DEL DESEMPEÑO DEL MODEVHM........ .........................................................................................................................................2.5.5. METODOLOGIA SECUENCIAL. .....................................................................................

CAPITULO 3. CARACTERIZACION HIDROLOGICA ....................................................... 3.1. INTRODUCCION. ....................................................................................................................3.2. CARACTERISTICAS MORFOLOGICAS DE LAS MICROCUENCAS. .................................

3.2.1. PROPIEDADES DE LA SUPERFICIE DE LAS MICROCUENCAS DE ESTUDIO. ........3.2.2. PROPIEDADES DE LA FORMA DE LAS MICROCUENCAS DE ESTUDIO. ...............3.2.3. PROPIEDADES DE LA RED HIDRICA DE LAS MICROCUENCAS DE ESTUDIO. ....

3.3. ADQUISICION DE DATOS...................................................................................................... 3.3.1. CALIBRACION E IMPLEMENTACION DE INSTRUMENTOS DE MEDICION. ..........

3.3.1.1. CALIBRACION DE PLUVIOGRAFOS...........................................................................3.3.1.1.1. CALIBRACION ESTATICA.......................................................................................3.3.1.1.2. CALIBRACION DINAMICA........................................................................... ...........

3.3.1.2. CALIBRACION DE SENSORES DE NIVEL..................................................................3.3.1.3. IMPLEMENTACION DE EQUIPOS................................................................................

3.3.2. DATOS DE LLUVIA. ......................................................................................................... 3.3.2.1. DATOS PLUVIOGRAFICOS DE LA MICROCUENCA ALTERADA...........................


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3.3.2.2. DATOS PLUVIOGRAFICOS DE LA MICROCUENCA CONSERVADA......................3.3.3. DATOS DE CAUDAL. .......................................................................................................

3.3.3.1. DATOS DE CAUDAL DE LA MICROCUENCA ALTERADA......................................3.3.3.2. DATOS DE CAUDAL DE LA MICROCUENCA CONSERVADA.................................

3.3.4. DATOS DE EVAPOTRANSPIRACION. ...........................................................................

CAPITULO 4. MODELACION ...............................................................................................4.1. MODELO Y SOFTWARE A UTILIZAR. ..................................................................................4.2. MINERIA DE DATOS (DATA MINING). ................................................................................

4.2.1. SEPARACION EN SUBFLUJOS. ......................................................................................4.2.2. POT SELECTION, FRACCIONAMIENTO EN EVENTOS DE ESCORRENTIA RAPIDY LENTOS CASI INDEPENDIENTES. ............................................................................................

4.3. SOFTWARE VHM. ...................................................................................................................4.3.1. DATOS DEL WETSPRO AL VHM. ..................................................................................

4.4. CALIBRACION DEL MODELO VHM. ...................................................................................4.5. VALIDACION DE LOS SUBMODELOS DEL MODELO VHM. ............................................4.6. CALIBRATION TOOL. ............................................................................................................4.7. SENSIBILIDAD DE LOS PARAMETROS. .............................................................................

CAPITULO 5. RESULTADOS Y CONCLUSIONES ............................................................ 1

5.1. RESULTADOS DEL MONITOREO HIDROLOGICO..............................................................5.2. RESULTADOS DEL MODELO. ...............................................................................................5.3. CONCLUSIONES. ....................................................................................................................5.4. RECOMENDACIONES. ...........................................................................................................

BIBLIOGRAFIA. .........................................................................................................................

ANEXOS ......................................................................................................................................

ANEXO A. ............................................................................................................................................ANEXO B. ............................................................................................................................................ANEXO C. ............................................................................................................................................ANEXO D. ............................................................................................................................................ANEXO E. ............................................................................................................................................


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INDICE DE FIGURAS.

Figura 1-1. Paisajes Andinos (Josse, et al., 2009).............................................................................................. 7

Figura 1-2. Puna Húmeda de los Andes del Centro de Sud América (Josse, et al., 2009)............................... 11Figura 1-3. Ubicación de las Microcuencas elegidas para el monitoreo Hidrológico, vista satelital................ 12Figura 1-4. Mapa de Ubicación de las Microcuencas elegidas para el monitoreo Hidrológico en TiquipCochabamba-Bolivia....................................................................................................................................... 13Figura 1-5. Ubicación de las Microcuencas elegidas en la cuenca Altamachi del Municipio de Tiquip(Delgadillo Velasco, 2012).............................................................................................................................. 14Figura 1-6. Mapa de la Microcuenca Alterada-MC1....................................................................................... 15Figura 1-7. Mapa de la Microcuenca Conservada-MC2.................................................................................. 16Figura 2-1. Colocación del Pluviógrafo (OMM, 2008)................................................................................... 19Figura 2-2. Representación esquemática de un pluviógrafo basculante típico................................................. 20

Figura 2-3. Representación gráfica de la Calibración Dinámica (USC, 2010)................................................. 23Figura 2-4. Obtención del nivel de agua mediante sensores de presión (Schlumberger Water Services, 20

........................................................................................................................................................................ 28

Figura 2-5. Vertedero de sección transversal combinada en la Microcuenca Conservada, Tiquipaya-Bol........................................................................................................................................................................ 33

Figura 2-6. Estructura general del Modelo conceptual agregado de Precipitación-Escorrentía (Willems, 2........................................................................................................................................................................ 37

Figura 2-7. Estructura generalizada del modelo VHM, traducido de Willems (2000)..................................... 40Figura 2-8. Esquema del concepto del enfoque VHM: la descarga separada en sub-flujos y eveindependientes, y el cálculo subsecuente en fracciones de precipitación, simplificado de Willems (20

(Célleri, et al., 2010)........................................................................................................................................ 41Figura 2-9. Pasos para la identificación de la Estructura del modelo VHM y procedimiento de su calibra(Willems, 2014)............................................................................................................................................... 45Figura 3-1. Reconocimiento preliminar de las microcuencas de estudio......................................................... 54Figura 3-2. Imagen satelital Microcuenca Alterada-MC1............................................................................... 55Figura 3-3. Imagen satelital Microcuenca Conservada-MC2........................................................................... 55Figura 3-4. Modelo Digital de Elevación de la Microcuenca Alterada............................................................ 56Figura 3-5. Modelo Digital de Elevación de la Microcuenca Conservada-MC2............................................. 57Figura 3-6. Histograma de frecuencia de Altitudes de la Microcuenca Alterada............................................. 59Figura 3-7. Histograma de frecuencia de Altitudes de la Microcuenca Conservada........................................ 60

Figura 3-8. Curvas Hipsométricas de las Microcuencas, Microcuenca Alterada en azul y MicrocuConservada en verde; junto a los valores de sus respectivas integrales hipsométricas.................................... 61Figura 3-9. Análisis de la Curva Hipsométrica, Cuencas: A) Fase de juventud, B) Fase de Madurez y C)de vejez (Strahler, 1952)................................................................................................................................. 61Figura 3-10. Pluviógrafo de cubeta basculante Onset-HOBO RG3-M (Onset Computer Corporation, 201 64Figura 3-11. Calibración Estática de los Pluviógrafos en el LHUMSS........................................................... 67Figura 3-12. FCD - Field Calibration Device (Hydrological Services, 2011).................................................. 68Figura 3-13. Prueba de calibración estática con el FCD en el LHUMSS......................................................... 70


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Figura 3-14. Interfaz del Programa HOBOware para descarga de datos de los pluviógrafos.......................... 71Figura 3-15. FCD en campo con las cinco boquillas para la Calibración Dinámica........................................ 72Figura 3-16. Gráfica del tiempo entre basculaciones vs la inversa de la intensidad real, pluviógTIQ_01_PO_01............................................................................................................................................... 74Figura 3-17. Gráfica de la Intensidad medida vs Intensidad real, pluviógrafo TIQ_01_PO_01. ..................... 74Figura 3-18. Gráfica del tiempo entre basculaciones vs la inversa de la intensidad real, pluviógTIQ_01_PO_02............................................................................................................................................... 75Figura 3-19. Gráfica de la Intensidad medida vs Intensidad real, pluviógrafo TIQ_01_PO_02. ..................... 76Figura 3-20. Gráfica del tiempo entre basculación vs la inversa de la intensidad real, pluviógTIQ_02_PO_01............................................................................................................................................... 77Figura 3-21. Gráfica de la Intensidad medida vs Intensidad real, pluviógrafo TIQ_02_PO_01. ..................... 77Figura 3-22. Gráfica del tiempo entre basculaciones vs la inversa de la intensidad real, pluviógTIQ_02_PO_02............................................................................................................................................... 78Figura 3-23. Gráfica de la Intensidad medida vs Intensidad real, pluviógrafo TIQ_02_PO_02. ..................... 79Figura 3-24. Calibración Dinámica en campo................................................................................................. 79Figura 3-25. Sensores de nivel DIVER de marca Schlumberger Water Services, dos BAROS (Mini-Divun DIVER (Micro-Diver)................................................................................................................................ 80Figura 3-26. Calibración de los sensores de nivel en laboratorio LHUMMS.................................................. 82Figura 3-27. Resultados calibración Mini-Diver (Baro sumergido)................................................................ 82Figura 3-28. Resultados calibración Micro-Diver (sumergido)....................................................................... 83Figura 3-29. Resultados calibración Mini-Diver (Baro externo)..................................................................... 84Figura 3-30. Resultados de la Altura de Agua entre el Micro-Diver (sumergido) y el Mini-Diver (externo), aplicando un filtro tipo transformación Lineal................................................................................. 85Figura 3-31. Curva H vs Q Vertedero (V-2) Microcuenca Conservada........................................................... 86Figura 3-32. Nueva ubicación del vertedero de la Microcuenca Conservada (V-1)......................................... 87Figura 3-33. Curva H vs Q Vertedero (V-1) Microcuenca Alterada................................................................ 87Figura 3-34. Implementación de los sensores de nivel Microcuenca Conservada (Vertedero 2)..................... 88Figura 3-35. Vertedero 2 funcional, Vertedero 1 con problemas de flujo subsuperficial y Cerco de proteclisto para implementación de pluviógrafos...................................................................................................... 89Figura 3-36. Vertedero 1 (Microcuenca Alterada) con problemas de colmatación.......................................... 90Figura 3-37. Implementación de los pluviógrafos en la Microcuenca Conservada.......................................... 91Figura 3-38. Implementación de los pluviógrafos en la Microcuenca Alterada............................................... 92Figura 3-39. Implementación del sensor de nivel en la Microcuenca Alterada (Vertedero 1). ........................ 93Figura 3-40. Datos de precipitación c/5 min Microcuenca Alterada (TIQ_01_PO_01)................................... 94Figura 3-41. Datos de precipitación c/5 min Microcuenca Alterada (TIQ_01_PO_02)................................... 95Figura 3-42. Ponderadores de Thiessen, estaciones pluviográficas de la Microcuenca Alterada. .................... 95Figura 3-43. Precipitación Característica c/5 min Microcuenca Alterada (TIQ_01)........................................ 96Figura 3-44. Datos de precipitación c/5 min Estación Cuatro Esquinas (gentileza Misicuni).......................... 97Figura 3-45. Correlación del acumulado de precipitaciones entre la precipitación Característica dmicrocuenca Conservada y la precipitación de Cuatro Esquinas; para el relleno de datos.............................. 97Figura 3-46. Datos de precipitación c/5 min Microcuenca Conservada (TIQ_02_PO_01).............................. 98Figura 3-47. Datos de precipitación c/5 min Microcuenca Conservada (TIQ_02_PO_02).............................. 99Figura 3-48. Correlación del acumulado de precipitaciones entre la estación TIQ_02_PO_01 dmicrocuenca Conservada y TIQ_01_PO_01 de la microcuenca Alterada; para el relleno de datos. ................ 99


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Figura 3-49. Correlación del acumulado de precipitaciones entre la estación TIQ_02_PO_02 dmicrocuenca Conservada y TIQ_01_PO_02 de la microcuenca Alterada; para el relleno de datos. .............. 100Figura 3-50. Ponderadores de Thiessen, estaciones pluviográficas de la Microcuenca Conservada. ............. 101Figura 3-51. Precipitación Característica c/5 min Microcuenca Conservada (TIQ_02), con datos rellen

...................................................................................................................................................................... 101

Figura 3-52. Acumulados de lluvia de las estaciones pluviométricas de las microcuencas de estudio. ......... 102Figura 3-53. Datos de Caudal del vertedero de la Microcuenca Alterada...................................................... 103Figura 3-54. Datos de Caudal del vertedero de la Microcuenca Conservada................................................. 104Figura 4-1. Presentacion del subprograma Subflow filtering del programa WETSPRO. .............................. 110Figura 4-2. Resultados del filtrado del LowerBaseflow de la serie de descarga total horaria de la MicrocuConservada (periodo 18/02/2013-27/05/2014).............................................................................................. 112Figura 4-3. Resultados del filtrado del Baseflow de la serie de descarga total horaria de la MicrocuConservada (periodo 18/02/2013-27/05/2014).............................................................................................. 113Figura 4-4. Resultados del filtrado del Interflow de la serie de descarga total horaria de la MicrocuConservada (periodo 18/02/2013-27/05/2014).............................................................................................. 113Figura 4-5. Resultados del filtrado del Overlandflow de la serie de descarga total horaria de la MicrocuConservada (parte del periodo 18/02/2013-27/05/2014)............................................................................... 114Figura 4-6. Resultados del filtrado de la serie total de descarga horaria de la Microcuenca Conserv(periodo 18/02/2013-27/05/2014).................................................................................................................. 115Figura 4-7. Presentación del subprograma POT Selection en el programa WETSPRO. ................................ 117Figura 4-8. Resultados de la Selección POT de la serie de descarga total horaria de la MicrocuConservada (periodo 18/02/2013-27/05/2014).............................................................................................. 118Figura 4-9. Datos de entrada del modelo VHM (VHM build and calibration tool versión 1.1 beta). ............ 121Figura 4-10. Pestañas para el ingreso de datos en el VHM............................................................................ 122Figura 4-11. Extracción de datos del filtro LowerBaseflow del WETSPRO................................................. 122Figura 4-12. Extracción de datos de los filtros Baseflow, Interflow y Overland flow del WETSPRO. ......... 123Figura 4-13. Ubicación de los datos de entrada en la hoja time series del VHM, celdas en amarillo. ........... 124Figura 4-14. Selección de datos para POT slow flow y para POT quick flow del WETSPRO...................... 125Figura 4-15. Ubicación de los datos obtenidos de POTresults. En la columna hydrogram start de la hoja slow flow del VHM....................................................................................................................................... 125Figura 4-16. Ubicación de los datos obtenidos de POTresults. En la columna hydrogram start de la hoja quick flow del VHM..................................................................................................................................... 126Figura 4-17. Hoja de la pestaña Box-Cox del programa VHM...................................................................... 127Figura 4-18. Calibración del modelo VHM (VHM build and calibration tool versión 1.1 beta).................... 128Figura 4-19. Fotografías para estimar elumax de la Microcuenca Conservada............................................... 130Figura 4-20. Fracción de precipitación fu vs Contenido de humedad del suelou/umax, filtrado vs modelado(Storage Model)............................................................................................................................................ 130Figura 4-21. Comparación de lo modelado y los valores estimados de las porciones de lluvia que contribal baseflow; para los períodos de flujo lentos y después de la transformación Box-Cox B.C. (λ = 0.25), juntocon la raíz cuadrada del error medio (línea punteada)................................................................................... 131Figura 4-22. Humedad del suelo y precipitación (Storage Model)................................................................ 132Figura 4-23. Evapotranspiración Potenciale p y Actualea (Storage Model)................................................... 133Figura 4-24. Fracción de precipitación del Overland flow fo vs Contenido de humedad del suelo u/umfiltrado vs modelado (Overland flow model, storage part)............................................................................ 134


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Figura 4-25. Factor residual de la fracción de precipitación del Overland flow fo vs la Precipitaantecedente, filtrado vs modelado (Overland flow model, antecedent part).................................................. 135Figura 4-26. Comparación de lo modelado y los valores filtrados de las porciones de lluvia que contribuyoverland flow; para los períodos de flujo rapido y después de la transformación Box-Cox B.C. (λ = 0.25), junto con la raíz cuadrada del error medio (línea punteada).......................................................................... 136Figura 4-27. Fracción de precipitación del Interflow fi vs Contenido de humedad del suelo u/umax, filtramodelado (Interflow model, storage part)..................................................................................................... 138Figura 4-28. Factor residual de la fracción de precipitación del Overland flow fi vs la Precipitacantecedente, filtrado vs modelado (Interflow model, antecedent part).......................................................... 138Figura 4-29. Comparación de lo modelado y los valores estimados de las porciones de lluvia que contribal Interflow; para los períodos de flujo intermedio y después de la transformación Box-Cox B.C. (λ = 0.25), junto con la raíz cuadrada del error medio (línea punteada).......................................................................... 139Figura 4-30. Validación de los sub modelos delmodelo VHM (VHM build and calibration tool versión beta). ............................................................................................................................................................. 140Figura 4-31. Análisis de la descarga (Analysis of discharge), entorno del programa CALITOOL; corridola serie de descarga de caudal total horaria de la microcuenca Conservada................................................... 142

Figura 5-1. Acumulados de Lluvia y Caudal de las Microcuencas de estudio............................................... 150Figura 5-2. Curva doble Masa de lluvia de las Microcuencas de estudio, microcuenca Conservada en el elas ordenadas y microcuenca Alterada en el eje de las abscisas..................................................................... 151Figura 5-3. Curvas de Intensidad-Duración de las Microcuencas de estudio en acumulados de c/5 microcuenca Alterada en línea continua y microcuenca Conservada en línea punteada................................ 152Figura 5-4. Curva de Duración de Caudal de la microcuenca Conservada TIQ_02....................................... 153Figura 5-5. Series Horarias de Lluvia y Caudal de las Microcuencas de Estudio (Alterada TIQ_0Conservada TIQ_02)..................................................................................................................................... 154Figura 5-6. Caudales Observados y Modelados vs Precipitación, Microcuenca Conservada (Serie Comp

...................................................................................................................................................................... 160

Figura 5-7. Acumulados de caudal Observados en negro, Filtrados en marrón y Modelados en Microcuenca Conservada (Serie Completa).................................................................................................. 162Figura 5-8. Evaluación de los Flujos Pico mediante la Transformación Box-Cox, microcuenca Conser(Serie Completa)........................................................................................................................................... 163Figura 5-9. Evaluación de los Flujos Bajos mediante la Transformación Box-Cox, microcuenca Conser(Serie Completa)........................................................................................................................................... 164


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I ndice de Tablas

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INDICE DE TABLAS.

Tabla 1-1. Puna Semihúmeda – Bolivia (boliviaenlared, 2005-2008)............................................................. 10Tabla 2-1. Variables que se obtienen luego de la realización de la prueba de calibración dinámica (Villacal., 2013)......................................................................................................................................................... 24Tabla 2-2. Ecuaciones generales para cálculo del caudal en vertederos rectangulares y vertederos triangu(Villacís, et al., 2013)...................................................................................................................................... 31Tabla 2-3. Ecuaciones de medición de caudal para diferentes geometrías de vertedero (Villacís, et al., 20

........................................................................................................................................................................ 32

Tabla 3-1. Características Morfológicas de las Microcuencas de Titiri-Tiquipaya.......................................... 58Tabla 3-2. Especificaciones del pluviógrafo de cubeta basculante HOBO RG3-M (Onset CompCorporation, 2012).......................................................................................................................................... 65Tabla 3-3. Especificaciones FCD-Field Calibration Device (Hydrological Services, 2011)............................ 67Tabla 3-4. Número Teórico de tips para pluviógrafos RG3-M, usando el FCD.............................................. 68Tabla 3-5. Intensidad de Precipitación de las boquillas del FCD adaptadas para los pluviógrafos RG3-M ... 69Tabla 3-6. Número de tips observados de los pluviógrafos en la prueba de Calibración Estática con el Fadaptado para los pluviógrafos RG3-M........................................................................................................... 69Tabla 3-7. Resultados del cálculo del error para los pluviógrafos de las microcuencas en la calibraestática. ........................................................................................................................................................... 72Tabla 3-8. Boquillas y sus respectivas intensidades para la Calibración Dinámica......................................... 73Tabla 3-9. Resultados de la Calibración Dinámica del pluviógrafo TIQ_01_PO_01...................................... 73Tabla 3-10. Resultados de la Calibración Dinámica del pluviógrafo TIQ_01_PO_02.................................... 75Tabla 3-11. Resultados de la Calibración Dinámica del pluviógrafo TIQ_02_PO_01.................................... 76Tabla 3-12. Resultados de la Calibración Dinámica del pluviógrafo TIQ_02_PO_02.................................... 78Tabla 3-13. Resultados de la Calibración Dinámica de los pluviógrafos de las microcuencas........................ 80Tabla 3-14. Especificaciones para medición de Temperatura, sensores DIVER............................................. 81Tabla 3-15. Especificaciones para medición de Presión, sensores DIVER...................................................... 81Tabla 3-16. Evaporación Media Mensual del Tanque Tipo A Sivingani de Enero 92-Febrero 97 (gentiMisicuni)....................................................................................................................................................... 105Tabla 3-17. Evapotranspiración Calculada para las Microcuencas de estudio............................................... 106Tabla 5-1. Indicadores Hidrológicos de las Microcuencas de Estudio........................................................... 155Tabla 5-2. Parámetros calibrados del modelo VHM...................................................................................... 157Tabla 5-3. Eficiencias obtenidas por el modelo VHM Original y VHM Modificado de cada subflobtenidas comparando los subflujos modelados vs filtrados de la microcuenca Conservada, para los dist periodos del modelo; además el número de pasos de tiempo y el número de hidrogramas para el flujo leflujo rápido de cada periodo.......................................................................................................................... 158Tabla 5-4. Resultados estadísticos del CALITOOL para los periodos de Calibración, Validación y parSerie Completa de la simulación de la descarga de caudal de la microcuenca Conservada en el modelo Voriginal y modificado.................................................................................................................................... 159


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Capítulo 1 I ntroducción

Pablo Pardo Vargas 1

CAPITULO 1.

INTRODUCCION

1.1. ANTECEDENTES.

Las regiones de montaña son la mayor fuente de agua dulce en muchos lugares del mundomontañas proveen de un almacenamiento temporal de agua en forma de nieve, o reservas natucomo lagos, lagunas, humedales y/o bofedales, y una potencial energía para poder hidroeléctriczonas áridas y semiáridas, la escorrentía de las montañas llega a ser la fuente principal de agua

la parte baja. El agua es un recurso muy importante para la vida, este recurso es necesario paractividades cotidianas de las personas; los ecosistemas tropicales andinos brindan este recursoexcelente calidad a las personas y todos los seres vivos que se encuentran en su entorno.

Los ecosistemas tropicales andinos juegan un rol protagónico en el abastecimiento de aguamuchas ciudades andinas y en la generación hidroeléctrica y riego de los países andinos.ejemplo, las ciudades de Bogotá, Cuenca y Quito reciben el 95, 100 y 85% respectivamente dagua de los páramos (Buytaert, et al., 2006a; FAO, 2000; UAESPNN, 2000; ETAPA, 2004)inmensa diversidad de ecosistemas presentes en los Andes puede ser caracterizada de forma senen cinco grandes paisajes: los páramos, las Punas, los bosques montanos, los valles sinterandinos y los desiertos de altura o salares (Cuesta, et al., 2009).

Los ecosistemas andinos, principalmente páramos, Punas y bosques, prestan múltiples serviciosociedad, destacando los socioculturales, escénicos, recreacionales, la purificación del airreciclado de nutrientes y, el más significativo, la provisión y regulación de agua de excelente ca

(Luteyn, 1992; Hofstede, 1995; Sarmiento, 2000; Mena & Medina., 2001; Podwojewski, e2002; Poulenard, et al., 2003). Se estima que estos servicios ambientales benefician a más demillones de personas (IUCN, 2002.), principalmente a través de la provisión y regulación de para uso urbano, agrícola y para la generación hidroeléctrica (Buytaert, et al., 2006b).


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La producción y la regulación del agua en los ecosistemas andinos, se debe a la elevada y unif precipitación a lo largo del año (700 a 3000 mm año-1); al bajo consumo de agua por parte de lavegetación natural, (por ejemplo debido a que las hojas verdes de los pajonales, que tienen uníndice de área de hoja, están protegidas de la radiación y del aire seco por sus hojas mu

(Buytaert, et al., 2006b)), y al almacenamiento en los suelos, algunos de los cuales tienenextraordinaria capacidad de retención de agua gracias a su estructura ligera y porosa (De Bièval., 2006; Rousseaux & Warkentin, 1976; Shoji & Fujiwara, 1984; Nanzyo, et al., 1993).

El régimen hidrológico de un río de montaña es predominantemente controlado por el cldirectamente a través de precipitaciones e indirectamente a través de la influencia medioambiente, suelo y vegetación (Whol, 2009). Los regímenes de precipitación-escorrentía eregiones altoandinas pueden ser subdivididos basados en el tipo de circulación atmosfé produciendo la lluvia y las diferencias asociadas en la intensidad de lluvia, duración, magespacial y la frecuencia de ocurrencia.

El ecosistema montano que tiene las propiedades de almacenamiento de agua ya sea en laguhumedales o bofedales en Bolivia y que es motivo de este estudio es el ecosistema tipo Puntérmino Puna tiene origen Quechua y significa Región de Altura. El clima de la Puna es en genun clima de montaña, frío y seco, aunque según la posición geográfica y la altura se pueden obs

diferentes variaciones. La Puna tiene elevada sequedad atmosférica, es calurosa en el día y muen la noche. Suele presentar precipitaciones estivales de lluvia, granizo y nieve de diciembre a especialmente en enero y febrero (llamado también invierno andino), que determina un chúmedo en esta época. En las zonas más bajas el clima es templado y en los pisos altos nivalclima es polar (Wikipedia®, 2013).

El Laboratorio de Hidráulica de la Universidad Mayor de San Simón forma parte del proy“Generación de conocimiento yfortalecimiento de capacidades como respuesta de adaptación a lcambios ambientales en los Andes-CIMA” en el Municipio de Tiquipaya y además es socioacadémico de la “IniciativaRegional de Monitoreo Hidrológico de Ecosistemas Andinos-iMHEA”.Esta iniciativa realiza un monitoreo regional de los ecosistemas Andinos en varios países deAmérica y con este proyecto realiza el monitoreo de dos microcuencas piloto (pares) en la Punla Cordillera de los Andes de Cochabamba ubicado exactamente en la localidad de Titiri emunicipio de Tiquipaya, en la Cordillera Real u Oriental del país.


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Gracias a este proyecto marco se realiza el monitoreo hidrológico y la modelación de los prohidrológicos a nivel continuo basado en la técnica de minería de datos de las microcuencasconocer los procesos hidrológicos del ecosistema tipo Puna de los Andes tropicales de Cochaba

ya que estos ecosistemas son muy importantes porque almacenan el agua dulce que sirve paconsumo de las personas y demás seres vivos de la región.

En este estudio se hace uso del modelo de precipitación-escorrentía VHM (Veralgemeconceptueel Hydrologisch Model) es una abreviación holandesa para, Identificación y calibracila estructura del modelo conceptual agregado generalizado y parsimonioso; para realizamodelación de los procesos hidrológicos de microcuencas de la Puna de Cochabamba. Este moha sido desarrollado por el Prof. Patrick Willems, del Laboratorio de Hidráulica, de la UniverCatólica de Lovaina, Bélgica. El enfoque apunta a derivar valores de parámetros que puedenmuchos o como posiblemente puede ser solo uno, físico, realista y exacto. Está basado en la mde datos y dirigido a derivar una estructura del modelo parsimonioso (Willems, 2000). Este mofue publicado por el Prof. Patrick Willems en la revista científica Journal of Hydrology con el Parsimonious rainfall – runoff model construction supported by time series processing and validatiof hydrological extremes – Part 1: Step-wise model-structure identification and calibratioapproach (Willems, 2014) y su continuación con el titulo Parsimonious rainfall – runoff model

construction supported by time series processing and validation of hydrological extremes – Part 2: Intercomparison of models and calibration approaches (Willems, et al., 2014).

El modelo VHM ha sido y es muy usado a nivel internacional, mayormente en Bélgica, en la cudel Río Nilo y en Ecuador, algunos de los estudios en los que se ha usado este modelo son: Radar Based Rainfall Estimation for River Catchment Modeling (Narayan Kumar, 2009), Evaluation of adata-based hydrological model for simulating the runoff of medium sized Andean basins(Célleri, etal., 2010) y otros casos de estudios más. En nuestro país es el primer caso de estudio usandmodelo VHM.

1.2. JUSTIFICACION.

De acuerdo a estudios realizados por la FAO (2000), la mitad de la población mundial depedirecta o indirectamente, de los recursos y de la estabilidad social y ecológica de los ecosistem


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montaña y de sus cuencas; es por esta razón que en muchos países existe un creciente interétemas de investigación, especialmente en lo referente a los sistemas hidrológicos característiclas montañas. Dichas investigaciones son sin duda un gran aporte al desarrollo y para la tomdecisiones en cuanto a la conservación de los ecosistemas de los Andes para preservar el agu

nos brindan estos.

Los ecosistemas de montaña prestan muchos beneficios hidrológicos a las comunidades ubicadabajo, pero, a pesar de esto, su hidrología y balance hídrico son pobremente conocidos. Los maobstáculos para el avance del conocimiento hidrológico han sido las dificultades de implemenmantener redes de observación para la investigación de estos ambientes remotos y complejos,falta de reconocimiento de estos ecosistemas como proveedores de servicios ambientales (iMH2013). La falta de información hidrológica local y regional que permita la validación de modcreados bajo las condiciones de los ecosistemas andinos, implica la necesidad de aumentamonitoreo en un mayor número de cuencas y abarcando un mayor número de ecosistemas (CéllFeyen, 2009). Los datos derivados de este monitoreo servirán para el desarrollo y verificaciómodelos hidrológicos apropiados para la región.

Los modelos hidrológicos son empleados especialmente para estudiar alternativas de uso de tierescenarios de desarrollo (p. ej. cambio de uso de tierras o cobertura vegetal) con el fin de determ

las mejores acciones de manejo de cuenca y evitar aquellas que podrían poner en riesgdisponibilidad de agua.

La forma de abordar un estudio hidrológico de una región es a través de una cuenca, debido esta última constituye la unidad física completa donde la entrada es la precipitación y las salidael escurrimiento y el sedimento, incluyendo en el proceso la influencia de vegetación, suetopografía. El problema de trabajar a escala de cuencas lo representa la manipulación de gravolúmenes de información, su análisis, conflictos administrativo-políticos y la posterior tomdecisiones por eso es importante la necesidad de trabajar con Microcuencas.

La importancia de los modelos radica, entre otros aspectos, en la predicción de fenómenos a plazo instantáneamente, también permiten obtener relaciones de causa-efecto, sin haber realcambios en los sistemas reales (Benavides-Solorio, 2001).


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Particularmente, en Bolivia se cuenta con más de la mitad de la población habitando en zonamontaña y planicies adyacentes, sin embargo, las investigaciones referentes a la hidrología de dzonas son escasas, de allí la necesidad de realizar estudios en cuanto a modelación hidrológica decosistemas andinos y específicamente para este estudio la modelación de los procesos hidroló

del ecosistema tipo Puna de los Andes Bolivianos.

1.3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.

La falta de modelos apropiados ha fomentado el uso de modelos desarrollados para otras reg(Célleri & Feyen, 2009) cuya conceptualización puede ser completamente distinta de condiciones encontradas en las cuencas andinas; por lo tanto, los resultados de su aplicación predecir cambios ambientales o la realización de análisis de escenarios pueden llevar a conclusiototalmente erróneas. Este problema se suma al hecho que la mayoría de proyectos donde seimplementado modelos hidrológicos en la región no han seguido los procedimientos establecien varios casos ni siquiera se ha realizado la calibración del modelo, menos aún una validacióverificación) o un análisis de incertidumbre. De esta manera no se ha podido avanzar en un clave que permitiría realizar una toma de decisiones con respecto al manejo de cuencas en procnacionales y regionales basado en un conocimiento sólido de los ecosistemas (iMHEA, 2013).

Es indispensable realizar modelaciones de precipitación-escorrentía en la región, debido a quhay investigaciones previas al respecto, la gestión del agua es fundamental para la planeación yel manejo de los recursos naturales con fines de sostenibilidad (Brooks, et al., 1991)conocimiento de la hidrología es necesario para determinar reservas, demandas y suministroagua, para predecir fenómenos de frecuencia extrema (inundaciones, desbordes, sequías) y proteger la calidad del agua (Baker, et al., 1995). De allí la necesidad de realizar el monitoreomodelación de los procesos hidrológicos de manera continua del ecosistema tipo Puna d

Cordillera del Tunari de nuestro departamento.

1.4. OBJETIVOS.

Los objetivos de este estudio se dividen en objetivo general y objetivos específicos; quedetallados a continuación.


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1.4.1. OBJETIVO GENERAL.

El objetivo general de este estudio es: Monitorear y simular numéricamente con un mo

hidrológico de lluvia-escorrentía, modelo VHM basado en la técnica de minería de datos procesos hidrológicos a nivel continúo en microcuencas del ecosistema tipo Puna de los Atropicales de Cochabamba.

1.4.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS.

Para lograr el objetivo principal de este estudio es necesario realizar y cumplir con los siguiobjetivos específicos:

♦ Elegir la ubicación de las microcuencas y sus estaciones para el monitoreo hidrológico.

♦ Hacer una caracterización hidrológica a las microcuencas por medio de Modelos DigitaleElevación (GDEM) a partir de imágenes satelitales.

♦ Calibrar e implementar instrumentos de medición de lluvia y caudal en las estaciones d

microcuencas elegidas para el monitoreo hidrológico.

♦ Realizar descarga periódica de datos y el respectivo mantenimiento a cada uno deinstrumentos de medición hidrológica.

♦ Realizar el procesamiento y control de calidad de datos a los datos descargados demicrocuencas.

♦ Determinar la serie única de datos de entrada (de caudal, precipitación y evapotranspirac

♦ Calibrar, validar y evaluar el modelo VHM con los datos obtenidos del monitoreo. Determinación de los datos de calibración del caudal con un filtro digital numé

llamado WETSPRO, obteniendo: flujo base (Baseflow), flujo intermedio (Interflow


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flujo superficial (Overlandflow); además de la selección de eventos independientes flujo rápido y flujo lento con la herramienta.

Calibración y validación del modelo haciendo uso de los datos de entrada en el softwdel modelo VHM.

Evaluación de las corridas del modelo VHM con el software CALITOOL.

1.5. ZONA DE ESTUDIO.

De acuerdo a las necesidades de la Iniciativa Regional de Monitoreo Hidrológico de EcosistAndinos-iMHEA se eligió realizar el monitoreo hidrológico de dos microcuencas en el ecosistipo Puna de la cordillera del Tunari de Cochabamba que pertenece a la Cordillera Real u Oride Bolivia que a su vez pertenece a los Andes tropicales de Sud América, por lo cual se realiz breve descripción de la Puna en Bolivia en el siguiente punto. La Figura 1-1muestra un esquema enel que se representa los paisajes andinos de los Andes tropicales que ubica de manera generecosistema Puna entre los 4000 y 5000 msnm.

Figura 1-1. Paisajes Andinos(Josse, et al., 2009).


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1.5.1. LA PUNA EN BOLIVIA.

La Puna es una región tipo meseta de alta montaña propia de la cordillera de los Andes. Constun bioma neotropical de tipo herbazal de montaña, llamado a veces tundra altoandina. Se emp por las partes más altas de los Andes centrales y su parte central y más extensa la conformmeseta del Altiplano. Este conjunto orográfico se encuentra entre las latitudes 8°S y 3aproximadamente, cubriendo territorios del centro y sur del Perú, noreste de Chile, occidenBolivia y el noroeste de Argentina. Biológicamente forma, según diversos autores, una ecorreggrupo de ecorregiones (Wikipedia®, 2013).

En Bolivia se considera que el altiplano o Puna inicia a partir de una altitud de 3660 msnm, l

definido en función del punto más bajo del altiplano que corresponde al salar de Uyuni; pergeneral para nuestra región se considera Puna al ecosistema ubicado entre los glaciares y el bomontano, este tipo de ecosistema tiene su equivalente hacia la parte tropical el cual es llam páramo, con el que tiene algunas similitudes respecto a su flora, pero también importadiferencias debido a la estacionalidad tan marcada que presenta la Puna respecto a precipitaciones (Wikipedia®, 2013; Josse, et al., 2009).

La Puna en nuestro país se divide en dos regiones: la Puna Húmeda (Norteña) y la Puna SeXerofítica (Sureña). Tiene una temperatura media entre 0 y 10ºC en los pisos no nivalesganadería es de: camélidos, ovinos, vacunos y equinos.

Puna Seca o Xerofítica (Sureña): Situada al suroeste del país, en La Paz, Oruro y Potosí, eárida con precipitaciones que están entre 50 y 400 mm anuales y con 6 a 12 meses áridos alPresenta extensas llanuras altiplánicas, volcanes, valles, serranías, dunas, el lago salado Poograndes salares como el de Uyuni (el mayor del mundo) y el de Coipasa. La vegeta predominante es de pajonales abiertos (gramíneas), el matorral es abierto de arbustos y el borelicto de keñua es el más alto del mundo (5200 m). En esta región se encuentran áreas protecomo el parque Sajama y la reserva Eduardo Avaroa. La Puna sureña se subdivide en Puna sePuna desértica según su aridez.


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Puna Húmeda (Norteña): Atraviesa el país desde el lago Titicaca hacia el sur, es húmedestacional con precipitaciones entre 400 y 1600 mm y de 4 a 6 meses áridos al año. Presenta llaaltiplánicas, serranías, laderas, valles glaciares, lagunas y cimas rocosas. La vegetación es de pamás o menos denso, arbustal, pradera, tundra, bofedal, restos de bosque de Polylepys y de Puya

áreas protegidas son los parques Madidi y Tunari entre otros. La Puna húmeda o norteñsubdivide en Puna húmeda, Puna semihúmeda y Puna altoandina de la cordillera orie(Wikipedia®, 2013).

La humedad de la Puna húmeda varía considerablemente de acuerdo a la estación. La vegetacila Puna húmeda tiene un gran porcentaje de gramíneas, arbustos y cactáceas.

La Puna Húmeda tiene 183.475 km que representan el 11,9% del área total de los Andes del NoCentro. Por sus características geológicas y climáticas alberga grandes extensiones de humedalhondonadas o depresiones topográficas, así como en torno a lagunas y cursos de agua. Diecosistemas alcanzan en este paisaje su mayor extensión y representatividad dentro del conjunlos Andes Tropicales (Josse, et al., 2009).

En el altiplano del lago Titicaca, existen grandes zonas de humedales. Esto ha estimuladagricultura semi intensiva y el desarrollo de pastizales adecuados para la crianza de ganado va

vicuñas y alpacas. Por ello no es extraño que esta zona sea una de las más pobladas de toda la P

Los humedales mantienen pastizales aledaños en buen estado, incluso en la época de mayor seqlos últimos meses de verano-. Son verdaderos reservorios de agua para la población y paractividades agropecuarias, principalmente para el pastoreo extensivo.

La salud de la Puna húmeda depende del buen estado de sus humedales, y éstos, a su vez, depedel buen estado de los glaciares, ya que se nutren de sus deshielos. La Puna, por lo tanto, sgravemente afectada con el deterioro de los nevados. De allí la gran vulnerabilidad de este pafrente al cambio climático global (Josse, et al., 2009).

La ecorregión que corresponde a nuestra zona de estudio en Bolivia es la Puna Semihúmedacuenta con una serie de características que son detalladas a continuación en la Tabla 1-1.


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ECORREGION PUNA SEMIHUMEDAUbicación Geográfica (áreas político – administrativas)

Cochabamba (Arque, Ayopaya, Carrasco, Chapare,Quillacollo,Tapacarí), Chuquisaca (sobre todo Nor Cinti, Sud Cinti, Sudañés,Azurduy, Oropeza), La Paz (p.ej. Inquisivi, Loayza), Oruro (p.ej.Cercado), Potosí (p.ej. Guijarro, Nor Chichas, Sud Chichas) Tarija (p.ejArce, Avilez, Cercado, Méndez). Continuación en Argentina.

Superficie Km2 67.600Altitudes 3.200 – 4.100/4.200 mTemperaturas Prom. Anuales 7 – 10 CPrecipitación Prom. Anual 400 – 1.100 mm Número de meses áridos 4 - 6Paisajes Serranías,mesetas altas, valles.Vegetación Pajonal con arbustos, césped bajo en lugares húmedos, pajonal más

menos abierto, matorrales de arbustos resinosos, restos de bosques dediferentes especies de Polylepys (especialmente: P. besseri ssp.Subtusalbida, P.b.ssp. besseri, P. tomentella). Azonal: Bofedales.

Particularidades biológicas Región potencialmente boscosa (posiblemente, con excepción de llanuextensas en fondos de valles grandes). En algunos lugares crece lagigante Puya Raimondi.

Uso del suelo Bosques casi completamente destruidos. Área de ganadería de ovinosvacunos, casualmente cultivos. Explotación de minerales; turismo.Áreas protegidas Parque Nacional Tunari, Reserva Biológica de la Cordillera de Sama.

Tabla 1-1.Puna Semihúmeda – Bolivia(boliviaenlared, 2005-2008).

1.5.2. UBICACION DE LA ZONA DE ESTUDIO.

La zona de estudio está ubicada en Bolivia(Figura 1-2), en la localidad de Titiri, del municipio de

Tiquipaya, de la provincia Quillacollo del departamento de Cochabamba; al noroeste del ceurbano de la provincia Cercado(Figura 1-4). Las microcuencas elegidas pertenecen a la Cordillerdel Tunari que pertenece a la Cordillera Real u Oriental en Bolivia, la cual a su vez perteneceCordillera de los Andes a nivel continental.

Las microcuencas se localizan a aproximadamente 23 km de la ciudad de Cochabamba cami proyecto múltiple Misicuni; las microcuencas tienen una altura que varía entre los 4100 y msnm, presentan el ecosistema de tipo Puna húmeda en una meseta llena de gran cantida pequeños lagos, lagunas, pajonales, humedales y bofedales.

La Figura 1-2muestra en color café el territorio que ocupa la Puna húmeda en los Andes del Cey ubica además el sitio del monitoreo de las microcuencas en Titiri, Cochabamba.


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Figura 1-2.Puna Húmeda de los Andes del Centro de Sud América (Josse, et al., 2009).

La Figura 1-3muestra una vista satelital de la ubicación de la Microcuenca Alterada (1) en amar

y la Microcuenca Conservada (2) en verde de la zona de estudio en la localidad de Titiri al nortmunicipio Tiquipaya y una parte del drenaje de la cuenca hacia Misicuni.

Las microcuencas elegidas para el monitoreo de acuerdo con la metodología de cuencas pare propuesta por la iMHEA (Célleri, et al., 2013) son: una microcuenca alterada, es decir queexpuesta a la intervención antrópica, intervención de personas que realizan actividades de pasto


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cultivo; y también se eligió una microcuenca conservada la cual no está afectada por la activhumana y se encuentra en estado de recuperación.

Figura 1-3.Ubicación de las Microcuencas elegidas para el monitoreo Hidrológico, vista sateli


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Figura 1-4.Mapa de Ubicación de las Microcuencas elegidas para el monitoreo Hidrológico eTiquipaya, Cochabamba-Bolivia.


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Figura 1-5.Ubicación de las Microcuencas elegidas en la cuenca Altamachi del Municipio deTiquipaya(Delgadillo Velasco, 2012).


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M icrocuenca Al terada-MC1. Tiene un área aproximada de 0.69 km2 y un perímetro de 4.81 km estáubicada en la margen izquierda inferior de la cuenca Altamachi (ver Figura 1-5); esta microcuencaes la que está intervenida por la mano del hombre ya que presenta cultivos y pastoreo de gan

Además presenta algunos afloramientos de roca. LaFigura 1-6muestra un mapa con el detalle de laubicación de los instrumentos de medición instalados en esta microcuenca.

Figura 1-6.Mapa de la Microcuenca Alterada-MC1.

M icrocuenca Conservada-MC2. Tiene un área aproximada de 1.73 km2 y un perímetro de 8.74 kmestá ubicada en la margen derecha media de la cuenca Altamachi (ver Figura 1-5); esta microcuencano está intervenida por ningún tipo de actividad humana que pueda tener efectos en sus prochidrológicos. LaFigura 1-7muestra un mapa con el detalle de la ubicación de los instrumentos medición instalados en esta microcuenca.


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Figura 1-7.Mapa de la Microcuenca Conservada-MC2.

1.5.3. CLIMA.

El clima de la zona de estudio es propio de la alta montaña con una estación de invierno presenta unos meses secos y muy fríos, con temperaturas por debajo de los 0 ° C, y con nevfrecuentes en toda la zona. El ecosistema de la zona de estudio es de tipo Puna húmeda tiene elsequedad atmosférica, es calurosa en el día y muy fría en la noche. Suele presentar precipitacestivales de lluvia, granizo y nieve de diciembre a abril, especialmente en enero y febrero (llamtambién invierno andino), que determina un clima húmedo en esta época. La precipitación promanual de la zona varía entre 900 y 1100 mm.


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1.5.4. TOPOGRAFIA.

La topografía de la zona de estudio presenta en general una meseta andina con la presencilagunas en los alrededores, algunas cumbres y varias quebradas. La información topográfica d

microcuencas fue extraída de un modelo digital del terreno ASTER GDEM que tiene una resolude 30*30 m. que puede verse en la Figura 1-6 para la microcuenca Alterada y la Figura 1-7 para lamicrocuenca Conservada.

1.5.5. ESTRATIGRAFIA.

Las rocas que cubren la zona de estudio están constituidas por una secuencia sedimen perteneciente a los sistemas Ordovícico, Silúrico y Cuaternario.

Las formaciones del sistema Ordovícico, por ser las rocas más antiguas forman el basamento zona de estudio y están representadas por formaciones cuyas edades van desde el AranigiaCaradociano, todas de origen marino. El sistema Silúrico, está representado por las formaciCancañiri y Uncía, también de origen marino y glacio-marino y se encuentra aflorando ensinclinales de Aguas Calientes y Uyuni.

No se ha constatado la presencia de rocas ígneas, habiéndose observado ventillas de cuarzorigen hidrotermal de unos pocos centímetros de espesor. La edad de estas rocas es difícideterminar, es posible que estas intrusiones se hayan producido durante las últimas fases orogécorrespondientes al ciclo Andino.

El sistema Cuaternario está formado por depósitos correspondientes al Pleistoceno, consistemorrenas y depósitos fluvio-glaciales. Los depósitos aluviales recientes forman terrazas emárgenes de los ríos, lechos aluviales y conos aluviales en la desembocadura de las quebradas.


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Capítulo 2 M arco Teórico


CAPITULO 2.

MARCO TEORICO

2.1. PRECIPITACION.

La lluvia es una de las muchas formas de precipitación y un componente principal del hidrológico. La precipitación es la fuerza impulsora de agua para la mayoría de los prochidrológicos terrestres (Berne, et al., 2005). La precipitación debe satisfacer la demanda intermde evapotranspiración, infiltración y almacenamiento de la superficie antes de producirs

escurrimiento. En la modelación hidrológica, la precipitación es la entrada primaria (Segond, e2007; Velasco-Forero, et al., 2008).

La precipitación puede ser dividida principalmente en precipitación de formación estratificaconvectiva. La precipitación de formación Estratificada esencialmente resulta de las nubeformación estratificada, tiene gotas pequeñas y gradientes uniformes espaciales y temporalestormentas convectivas de otra manera son generalmente más intensas y consistentes de ggrandes; son caracterizadas por grandes gradientes temporales y espaciales (Narayan Kumar, 20

La lluvia es una forma de precipitación que se define como el producto de la condensación del de agua que cae desde las nubes y se deposita en la superficie terrestre (OMM, 2008). Se expretérminos de la profundidad de agua que cubriría una proyección horizontal de la superficie terrgeneralmente en unidades lineales(mm); y cuando se habla de intensidad de precipitación se expreen unidades lineales por unidad de tiempo(p. ej. mm/h).

2.2. MEDICION DE LA PRECIPITACION.

Existe una amplia gama de equipos que emplean distintos métodos o procesos para registr precipitación, pluviómetros de cubeta basculante, de pesada u ópticos láser, radares, etc. pluviómetros de cubeta basculante, denominados comúnmente de cazoletas, son los más utilihabitualmente debido a su sencillo funcionamiento y bajo coste. En hidrología, es fundam


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medir el valor exacto de la precipitación. Por lo tanto, es muy importante escoger cuidadosameemplazamiento, la forma y exposición del pluviómetro (OMM, 2008).

Una correcta medición de la precipitación, es decir, que sea representativa de la zona,

condicionada a varios factores, uno de ellos es la mitigación de los efectos del viento quconsigue con una adecuada selección del lugar de emplazamiento de los equipos (OMM, 2Este lugar debe seleccionarse de manera que la velocidad del viento al nivel de la embocadurinstrumento sea la más baja posible. De ser posible el pluviógrafo y/o pluviómetro deberá protegido del viento en todas direcciones por barreras como árboles o arbustos de altura uniforque estén a una distancia al menos igual al doble de su altura(Figura 2-1) para evitar la intercepciónde la precipitación (OMM, 2008). Adicionalmente el equipo deberá instalarse en direchorizontal, en una zona plana y por estandarización a una altura de 1 m (OMM, 2011), aunquOMM (2008), se indica que en más de 100 países, esta elevación varía entre 0.50 m y 1.50 m.

Figura 2-1.Colocación del Pluviógrafo(OMM, 2008).

De acuerdo a la iMHEA (2013) en cada cuenca deben existir al menos dos puntos de medición

precipitación, cada uno de ellos deberá contar con un pluviógrafo que tenga una resolución dmm o mejor. Los pluviógrafos harán un registro de la precipitación por evento de acuerdo resolución, luego para efectos prácticos y de comparación con los datos de caudal, estos puedeagrupados en pasos de tiempo cada cinco minutos, horario, diario, mensual y anual.


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2.2.1. PLUVIOGRAFO DE CUBETA BASCULANTE.

Los pluviógrafos de cubeta basculante (tipping bucket) o pluviógrafos de cazoletas son disposde medición continua de la precipitación. Su mecanismo consiste en la captación del agua de llu

través de un embudo, el mismo que la redirige hacia un sistema de pequeñas cubetas oscilantetienen un volumen definido. Estas cubetas funcionan como un balancín, cuando una de ellllena, el balancín se desequilibra y cambia de posición permitiendo que la cubeta se descargmismo tiempo que la otra empieza a llenarse. Cada basculación es registrada, generalmente, dde algún dispositivo electrónico (datalogger) permitiendo así llevar un monitoreo y cuantificacilos regímenes de precipitación de un lugar en particular, a continuación laFigura 2-2muestra elesquema de un pluviógrafo basculante.

Figura 2-2.Representación esquemática de un pluviógrafo basculante típico.

Las mediciones con este tipo de mecanismo no son del todo precisas, son varias las fuentes de

que se presentan, una de ellas, que es especialmente significativa con el aumento de la intensid precipitación, es la pérdida de agua producida durante la basculación de las cubetas (OMM, 2Durante el movimiento de la basculación de la cubeta, el agua continúa fluyendo a travésembudo que no se toma en cuenta, produciendo una subestimación de la tasa de lluvia (GoormaWillems, 2008). Esta pérdida se presenta ya que no existe una relación lineal entre la intensida


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precipitación y la tasa de basculación de las cubetas (Calder & Kidd, 1978). Es por esto necerealizar una calibración del equipo.

El proceso de calibración se ejecuta en dos fases, se realiza una previa calibración estáti

posteriormente se efectúa una calibración dinámica. La calibración estática nos permite verifila resolución o sensibilidad nominal del pluviógrafo, número demm de precipitación ol/m2,coincide con el valor de diseño estipulado por el fabricante del instrumento, corrigiéndose ennecesario. La calibración dinámica nos permite determinar el volumen real de las cubetas y pérdidas de agua que se dan por cada basculación. Es recomendable que la calibración se hagade la instalación, pero en caso de que los equipos ya estén instalados también se la puede haccampo (Villacís, et al., 2013). La calibración a su vez permite estimar el error de medición dequipos y con esto se conocerá su incertidumbre. La cuantificación del error se lleva a mediante el cálculo del error absoluto y el cálculo del error relativo.

2.2.1.1. CALIBRACION ESTATICA.

Mediante la calibración estática es posible determinar la resolución real de las cubetas pluviógrafo, es decir, su contenido volumétrico. Una primera aproximación sería, sobr pluviógrafo nivelado (se debe verificar esto durante el proceso de calibración y cada vez que se

a campo), verter con una bureta o jeringa, un volumen de agua equivalente a aquel que correspal volumen de las cubetas (volumen nominal dado por el fabricante). En caso de no cumplirdeben ajustar los tornillos de calibración de las cubetas hasta obtener un volumen lo más cer posible al valor nominal (Roa, 2011; Campbell Scientific, 1998; Onset Computer Corpora2012). Otra opción es no modificar los tornillos y corregir los datos por el coeficiente que reentre el valor real y el valor nominal (Manciati, et al., 2007).

Una prueba mucho más completa, consiste en verter un volumen conocido de agua sobr pluviógrafo en un tiempo aproximado de 100 minutos (Campbell Scientific, 1998), lo que asuna tasa de precipitación lo suficientemente baja como para evitar pérdidas de agua por intende precipitación.


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Como la resolución del pluviógrafo y su área de captación (Ac) son valores conocidos, es podeterminar la cantidad de basculaciones que, en teoría, debería realizar el balancín si se vierte el mismo un volumen de agua conocido, para esto:

[ ] [ ] (2.1)

Con el pluviógrafo conectado a un datalogger o haciendo un conteo manual se inicia la pruebacontabiliza la cantidad de basculaciones hechas por el balancín. Si se compara la cantida basculaciones registradas durante la prueba con el número de basculaciones teóricas se obtiefactor de corrección (Fc), para esto:

(2.2)

Fc corresponde a la resolución real del pluviógrafo y será por este valor que se deberá multiplla cantidad de basculaciones hechas para obtener la lámina de precipitación. Es necesario inque mediante esta prueba no se puede determinar las pérdidas de agua debidas al incremento intensidad de precipitación (Villacís, et al., 2013).

2.2.1.1.1. CALCULO DEL ERROR:

El cálculo del error se lo hace en base a la resolución nominal del equipo siendo este el valor qtoma como exacto de aquí, el error absoluto ( E abs) se lo calcula:

(2.3)

Mientras que el error relativo ( E rel ):


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[ ] (2.4)

2.2.1.2. CALIBRACION DINAMICA.

El proceso de calibración dinámica, se basa en el propuesto por Calder & Kidd (1978). Consisverter sobre el pluviógrafo un volumen de agua definido a diferentes tasas de intensidade precipitación simuladas, obteniendo así un rango de intensidades de precipitación que represenocurrencia de este fenómeno que ocasiona este error en la medicion de estos datos(Figura 2-3).

En esta calibración es donde se evalúa la respuesta del pluviógrafo en función de la intensid

lluvia simulada; es la que realmente proporciona la corrección del pluviógrafo, la difereexistente entre la intensidad de lluvia obtenida experimentalmente (la registrada por el pluviógy la intensidad real o intensidad de lluvia simulada (USC, 2010). El laboratorio LACEM dUniversidad de Santiago de Compostela realiza la Calibración Dinámica en 7 puntos de intende lluvia diferentes que por defecto son: 3, 6, 12, 24, 48, 96 y 190 mm/h(Figura 2-3); pero también puede ser realizada en otros puntos específicos. La Figura 2-3muestra una gráfica de los resultadosde una calibración dinámica

Figura 2-3.Representación gráfica de la Calibración Dinámica(USC, 2010)


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Según la iMHEA debe procurarse realizar la prueba al menos con cinco intensidades precipitación diferentes, las mismas que se elegirán de forma lineal abarcando todo el rangintensidades de precipitación presentes en la zona en la que se pretende o se encuentra instala

pluviógrafo a calibrar. Es recomendable repetir esta prueba por lo menos tres veces con intensidad. Una manera práctica de llevar a cabo esta prueba es obteniendo recipientes de un mvolumen pero con aberturas de diferentes tamaños para su desagüe, que permitan obtener las deseadas.

La prueba se realizará una vez que el pluviógrafo se encuentre correctamente nivelado preferencia, conectado a un dispositivo de almacenamiento electrónico de datos (dataloggermismo que podrá obtener el volumen de agua medido por el pluviógrafo y la cantidad y tietranscurrido entre cada basculación para las diferentes intensidades de precipitación simuladas prueba. Con esta prueba es posible obtener la Tabla 2-1con la siguiente información:

Variable Abreviatura Unidad Descripción

Intensidad precipitación vertidasobre el pluviógrafo

Ir mm/s

Son las diferentes tasas a las cuales el agua serávertida sobre el pluviógrafo durante la prueba decalibración. Los diferentes valores se obtienen de laregulación de las aberturas de los recipientesutilizados en la prueba.

Tiempo entre basculaciones ∆t s

Es el tiempo existente entre dos basculacionesconsecutivas.

Intensidad precipitación medida

por el pluviógrafo Im mm/s

Es la intensidad de precipitación que es medida por el pluviógrafo durante la prueba de calibración. Seobtiene al dividir la lámina de agua total registrada encada prueba para el tiempo que tomó la misma.

Inverso de la intensidadde precipitación vertida

sobre el pluviógrafo 1/Ir s/mm Valor que sirve para el cálculo de la resolución realdel pluviógrafo

Tabla 2-1.Variables que se obtienen luego de la realización de la prueba de calibración dinámi(Villacís, et al., 2013).

La pendiente de la recta obtenida al graficar el tiempo entre cada basculación (∆t) en relación a laintensidad de precipitación real (Ir), representará el volumen(ml o mm) real de las cubetas del pluviógrafo (Calder & Kidd, 1978).


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Una vez conocido el volumen de las cubetas, se puede determinar las pérdidas de agua produen las basculaciones las mismas que aumentan proporcionalmente con la intensidad de precipit(OMM, 2008). Para conseguirlo basta con realizar una regresión lineal entre la intensida precipitación vertida (Ir) y la intensidad de precipitación registrada por el pluviógrafo (Im) y ob

su ecuación de relación (Gonzalez, 2012). El calculo del error de esta calibracion se lo realiza que en la calibracion estatica. Para un mejor entendimiento del procedimiento de la calibradinámica consultar la Guia de Control de Calidad de datos Hidrologicos de la iMHEA (Villacal., 2013).

2.3. MEDICION DE CAUDAL.

El caudal es el volumen de agua que pasa por determinada sección transversal del cauce de un run intervalo de tiempo, se expresa en unidades de volumen por unidad de tiempo;[l/s] para flujos pequeños y,[m3 /s] para flujos mayores. En ocasiones, el caudal también se expresa en unidadesvolumen por unidad de tiempo y por área de influencia,[l/s*km2 ]. Por lo general, el valor de caudalse expresa en función de la altura de agua en una estación de aforo, la misma que tiene c propósito llevar registros continuos y sistemáticos de la altura de agua y el caudal fluvial (O2011). Por tal razón estas estaciones deben contar con limnígrafos (p. ej. Sensores de nautomáticos) encargados de las mediciones de altura de agua y una sección de control (estructu

medición), misma que, debe tener características geométricas conocidas y estables que permdeterminar el flujo de agua que pasa a través de ella. En corrientes fluviales de montaña dexisten flujos moderados pueden usarse vertederos de pared delgada.

Los caudales son calculados a partir de la relación altura de agua - caudal, lo que es conocido curva de descarga. Gráficamente, los caudales se colocan en el eje de las abscisas (x) y la acorrespondiente en el eje de las ordenadas (y); en coordenadas rectangulares, la gráfica suele forma cóncava invertida ya que el caudal viene frecuentemente descrito por una función potencial de la profundidad del flujo (OMM, 2011). La relación altura de agua – caudal, está enfunción de la geometría de los elementos del canal o estructura de control (natural o artificial) aabajo. Cuando se trata de un vertedero, esta relación está implícita dentro de la ecuacióncaracteriza la descarga a través de la estructura.


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Dentro de la Iniciativa MHEA, se determina que las mediciones de nivel de agua se realmediante la utilización de sensores automáticos a un paso de tiempo de cinco minutos. La frecude captura de datos debe ser alta ya que en cuencas pequeñas (como las que se monitorearespuesta hidrológica a eventos de precipitación es rápida y los caudales aumentan en cuestió

minutos hasta llegar a caudales pico (Célleri, et al., 2013). Mientras tanto, la sección de control establecido como un vertedero de sección combinada; triangular y rectangular para que se pucaptar caudales bajos y pico (Célleri, et al., 2013).

2.3.1. NIVEL DE AGUA.

La altura o nivel de agua, es la elevación de la superficie de una corriente fluvial respecto dnivel de referencia. Mediante su correlación con el caudal fluvial constituye el punto de partidaobtener registros de caudal (OMM, 20

modelación hidrológica continua basada en minería de datos

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