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MODELACIÓN HIDROLÓGICA DE LA CUENCA DEL RÍO BACHÉ EN EL
DEPARTAMENTO DEL HUILA DESDE LA HERRAMIENTA DE PLANIFICACIÓN
INTEGRADA DE RECURSOS HÍDRICOS.
OSCAR JAVIER MONCAYO CALDERON
LINDON LOSADA PALACIOS
JOHANA CRUZ PADILLA
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE ESPECIALIZACIÓN EN RECURSOS HÍDRICOS
BOGOTÁ D.C – 2016
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MODELACIÓN HIDROLÓGICA DE LA CUENCA DEL RÍO BACHÉ EN EL
DEPARTAMENTO DEL HUILA DESDE LA HERRAMIENTA DE PLANIFICACIÓN
INTEGRADA DE RECURSOS HÍDRICOS.
OSCAR JAVIER MONCAYO CALDERON
LINDON LOSADA PALACIOS
JOHANA CRUZ PADILLA
Trabajo de grado para obtener el título de especialista en Recursos Hídricos.
ASESOR: JORGE ALBERTO VALERO FANDIÑO
INGENIERO CIVIL, MSC.
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE ESPECIALIZACIÓN EN RECURSOS HÍDRICOS
BOGOTÁ D.C – 2016
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DEDICATORIA
Dedicamos este trabajo a Dios Padre Todopoderoso, por guiarnos en el sendero de nuestro
crecimiento personal y espiritual.
También dedicamos este trabajo a nuestras familias por el apoyo y sacrificio incondicional
brindado durante el tiempo de nuestra especialización.
AGRADECIMIENTOS
Agradecemos a la Universidad Católica de Colombia, por brindarnos la posibilidad de ser
parte de esta institución.
A nuestro director de proyecto, el Ingeniero Jorge Valero, por su dedicación y empeño para
el desarrollo y culminación con éxito del presente documento.
Al Instituto Ambiental de Estocolmo - SEI por el otorgamiento de la Licencia Libre para
la utilización del programa WEAP con fines académicos.
A la Corporación Autónoma Regional del Alto Magdalena CAM, por su apoyo en el
suministro de la información técnica, la cual resultó vital para el desarrollo del presente proyecto.
.
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TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................10
1 GENERALIDADES DEL TRABAJO DE GRADO ...........................................12
1.1 LÍNEA DE INVESTIGACIÓN ............................................................................................... 12
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .................................................................................. 12
1.2.1 Antecedentes del problema ......................................................................................... 12
1.2.2 Pregunta de investigación........................................................................................... 14
1.3 JUSTIFICACIÓN ................................................................................................................. 14
1.4 OBJETIVOS ........................................................................................................................ 16
1.4.1 Objetivo general .......................................................................................................... 16
1.4.2 Objetivos específicos ................................................................................................... 16
2 MARCOS DE REFERENCIA .............................................................................17
2.1 MARCO GEOGRÁFICO ....................................................................................................... 19
2.1.1 Departamento del Huila ............................................................................................. 19
2.1.1.1 Localización ...................................................................................................................................... 19
2.1.1.2 Área ................................................................................................................................................... 20
2.1.1.3 Límites .............................................................................................................................................. 20
2.1.2 Municipio de Santa María .......................................................................................... 20
2.1.2.1 Topografía ......................................................................................................................................... 20
2.1.2.2 Limites .............................................................................................................................................. 21
2.2 AREA DE ESTUDIO ...................................................................................................... 21
3 METODOLOGÍA .................................................................................................23
3.1 FASES PARA LA MODELACION HIDROLOGICA DE LA CUENCA ..................... 23
3.2 INSTRUMENTOS O HERRAMIENTAS UTILIZADOS PARA LA MODELACION
HIDROLOGICA DE CUENCAS .............................................................................................................. 25
3.2.1 Modelos Empleados en el análisis hidrológico ......................................................... 25
3.2.2 HEC-HMS .................................................................................................................... 25
6
3.2.3 WEAP ........................................................................................................................... 27
3.2.4 SWAT ........................................................................................................................... 28
3.2.5 SELECCIÓN DEL MODELO A UTILIZAR ............................................................... 31
3.3 IMPLEMENTACION DEL MODELO WEAP. ............................................................ 32
3.3.1 Cuencas........................................................................................................................ 32
3.3.2 Cobertura Vegetal ....................................................................................................... 33
3.3.3 Demanda de agua........................................................................................................ 34
3.3.4 Hidroclimatologia ....................................................................................................... 35
3.3.5 Hidrología ................................................................................................................... 39
3.3.6 Caudales de aforo ....................................................................................................... 42
3.4 CALIBRACION DEL MODELO. .................................................................................. 42
3.5 CREACION DE ESCENARIOS. .................................................................................... 44
3.5.1 Cambio demográfico ................................................................................................... 44
3.5.1 Dinámicas agrícolas ................................................................................................... 45
3.5.2 Escenarios Climáticos................................................................................................. 47
4 RESULTADOS .....................................................................................................50
4.1 PRESENTACION DE RESULTADOS DEL MODELO WEAP DE LA CUENCA
DEL RIO BACHE. ..................................................................................................................................... 50
4.2 INTERPRETACION DE RESULTADOS DE LOS ESCENARIOS PLANTEADOS
AL MODELO WEAP DE LA CUENCA DEL RIO BACHE. .................................................................. 52
5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. ..................................................53
BIBLIOGRAFÍA...........................................................................................................55
7
LISTA DE FIGURAS
MARCOS DE REFERENCIA ............................................................................................................17
MAPA DE LOCALIZACIÓN.............................................................................................................19
MAPA DE LOCALIZACIÓN MUNICIPIO DE SANTA MARÍA - HUILA ..................................................21
DIAGRAMA METODOLÓGICO .......................................................................................................23
MODELO ESQUEMÁTICO DE LA CUENCA RIO BACHÉ ....................................................................33
ECUACIÓN DE CRECIMIENTO POBLACIONAL MUNICIPIO DE SANTA MARIA.....................................34
LOCALIZACIÓN DE ESTACIONES ...................................................................................................36
PRECIPITACIÓN ............................................................................................................................37
TEMPERATURA ............................................................................................................................37
HUMEDAD RELATIVA ..................................................................................................................38
VELOCIDAD DEL VIENTO .............................................................................................................38
BRILLO SOLAR ............................................................................................................................39
DATOS DE ÁREA POR UNIDAD HIDROLÓGICA ...............................................................................40
CAUDALES SIMULADOS Y OBSERVADOS DEL MODELO HIDROLÓGICO PARA LA CUENCA DEL RIO
BACHÉ. .......................................................................................................................................43
CRECIMIENTO POBLACIONAL .......................................................................................................45
COBERTURA PROYECTADA PASTO A BOSQUES ..............................................................................46
COBERTURA PROYECTADA BOSQUE A CAFÉ ..................................................................................46
COBERTURA PROYECTADA BOSQUE A PASTOS ..............................................................................47
ESCENARIOS CLIMÁTICOS FUTUROS .............................................................................................49
OFERTA VERSUS DEMANDA DE CRECIMIENTO POBLACIONAL ........................................................51
OFERTA VERSUS DEMANDA DE CAMBIO DE COBERTURA ...............................................................51
8
LISTA DE TABLAS
TABLA 1 SOFTWARE DE RECURSOS HÍDRICOS Y SU RELEVANCIA PARA LOS PROBLEMAS DE
RECURSOS HÍDRICOS MANEJADOS EN LA INDIA .............................................................................30
TABLA 2 TIPO DE COBERTURA Y CULTIVOS EN EL ÁREA DE LA CUENCA RIO BACHÉ ......................33
TABLA 3 ESTACIONES CLIMÁTICAS UTILIZADAS EN LA CUENCA RIO BACHÉ ................................36
TABLA 4 PARÁMETROS DE CALIBRACIÓN UTILIZADOS EN WEAP ................................................42
TABLA 5 INCERTIDUMBRES DEFINIDAS EN LA CUENCA DEL RIO BACHE ........................................48
TABLA 6 PARÁMETROS DE ESCENARIOS FUTUROS RIO BACHÉ ......................................................50
9
RESUMEN
El presente trabajo propone la modelación hidrológica como herramienta en los procesos
de planificación de cuencas, analizando el comportamiento actual de una cuenca y la generación
de distintos escenarios de uso que permitan determinar la oferta y la demanda hídrica basada en el
análisis de parámetros hidrológicos como precipitación, evapotranspiración, usos del suelo, brillo
solar, entre otros.
Mediante la utilización de la herramienta WEAP y la generación de escenarios para el
crecimiento de la población del municipio de Santa María localizado en el departamento de Huila,
y el cambio en las coberturas de la cuenca, se pudieron obtener resultados que pueden soportar la
toma de decisiones sobre la administración y la planificación del recurso hídrico y la ordenación
del territorio.
Palabras clave: Modelación Hidrológica, Cuenca Rio Baché, WEAP, Oferta y Demanda
Hídrica, Santa María.
ABSTRACT
This work propounds hydrological modeling as a tool in watershed planning processes,
analyzing the current behavior of a basin and the generation of different scenarios of usage that
allow to establish water supply and demand based on the analysis of hydrological parameters such
as precipitation, Evapotranspiration, land uses, solar brightness, among others.
Through the use of the WEAP tool and the generation of scenarios for the population
growth of Santa María township located in the department of Huila, and the change in the coverage
of the basin, the results that were obtained can support the decisions onto the water resource
management and planning of land-usage.
Keywords: Hydrological Modeling, Baché River Basin, WEAP, Water Supply and
Demand, Santa María.
10
INTRODUCCIÓN
Este trabajo está motivado en la crisis que se encuentran enfrentando muchas regiones del
país por la disponibilidad de un recurso hídrico limitado, las preocupaciones de la comunidad
frente a la calidad del mismo y la necesidad innegable de realizar un proceso de planificación
frente a fenómenos extremos de variabilidad climática e implementar estrategias sostenibles del
uso del agua las cuales son cada vez más apremiantes para los planificadores del uso del recurso
hídrico.
Teniendo en cuenta lo anterior, la modelación hidrológica adquiere una enorme relevancia
en el proceso de planificación en virtud a los grandes desafíos en el manejo y conservación del
recurso hídrico a que se enfrenta el Gobierno Nacional y a la gran preocupación de la Academia
en los temas relacionados con el manejo y conservación de este vital recurso para el País.
En este ejercicio académico se muestran los resultados de la modelación hidrológica de la
cuenca del rio Baché, llevada a cabo mediante la utilización de la herramienta WEAP, por sus
siglas en inglés, (Water Evaluation And Planning system), la cual está enfocada a la planificación
de recursos hídricos, con el objeto de determinar el comportamiento de la oferta hídrica de la
cuenca para diferentes escenarios de crecimiento poblacional y cambio de cobertura en el
municipio de Santa María localizado en el Departamento del Huila.
Para realizar la modelación hidrológica se llevaron a cabo las siguientes etapas; se
establecieron los límites espaciales del área de estudio, se realizó la recolección de información
climatológica, cartográfica, demográfica, potenciales beneficiarios entre otros, se construyó el
esquema, entrada de datos y se realizaron los ajustes para lograr representar los caudales medidos
a la salida de la cuenca con el modelo lo que se conoce como calibración y por último se generaron
los escenarios de cambio en población y en áreas de cultivos.
11
Se modelaron en total 18 corrientes tributarias directas e indirectas al cauce principal del
Rio Bache, teniendo en cuenta un único punto de monitoreo de caudal ubicado en la salida de la
cuenca. Como resultado del presente trabajo, se pudo obtener información relevante que mostró
los impactos de la oferta y la demanda de agua para cada uno de los escenarios propuestos en el
área de estudio de la cuenca del rio Baché en el departamento del Huila.
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1 GENERALIDADES DEL TRABAJO DE GRADO
1.1 LÍNEA DE INVESTIGACIÓN
Saneamiento de comunidades
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.2.1 Antecedentes del problema
Colombia ha sido conocida por su abundante oferta hídrica, pero, en términos hídricos el
terreno nacional no es homogéneo, las cinco áreas hidrográficas del país albergan sensibles
diferencias que repercuten en la vulnerabilidad tanto del sistema natural como de la estructura
socioeconómica. (Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia.
IDEAM, 2014)
En el marco geográfico nacional, el departamento del Huila se ubica hacia el sur de la
Región Andina Colombiana; forma parte integral de la cuenca alta del río Magdalena (la principal
de Colombia) y del macizo colombiano, lugar que constituye la estrella hídrica más importante al
país. (Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia. IDEAM, 2014)
Al formar parte del Macizo Colombiano, el Huila cuenta con grandes reservas de agua,
Incluyendo extensos páramos, como el “Páramo de las Papas”, donde nace el río Magdalena, y el
Nevado del Huila, con una altura de 5.750 msnm y una masa de glaciar que disminuye año tras
año. La cuenca del Magdalena, que tiene un área total de 22.171 km2, abarca todo el departamento
del Huila. El departamento del Huila cuenta con subcuencas hidrográficas que proporcionan en
promedio una oferta hídrica máxima de 555 m3 /s y una oferta mínima de 215 m3 /s durante la
13
época seca, lo cual constituye el caudal de agua que la cuenca aporta al Río Magdalena
(Gobernación del Huila; CAM; USAID, 2014)
Dentro de este contexto, la prioridad del departamento del Huila en el uso del agua se ha
centrado, en primer lugar, en satisfacer la demanda del consumo humano, concentrada en los
centros urbanos y las cabeceras municipales; en segundo lugar, en el suministro de riego para la
producción agroindustrial, de la cual vale la pena destacar las más de 60.000 hectáreas de arroz
(Secretaria de Agricultura y Minería Departamento del Huila, 2012)
Habría que decir que, los efectos de la variabilidad climática en el departamento del Huila,
se han venido manifestado en buena medida en abundancia y/o escasez de agua con respecto a
valores históricos de precipitación, así como con variaciones en la temperatura ambiente y la
frecuencia e intensidad de eventos meteorológicos extremos (vendavales, sequías, inundaciones,
etc.). Así, tanto la temperatura como las precipitaciones se verán alteradas en un futuro cercano
disminuyendo o aumentando la capacidad hídrica de las regiones, con temperaturas en general más
altas; la consecuencia de estos cambios será la afectación de los procesos productivos y la
viabilidad de los cultivos actuales, con incidencias graves para la seguridad alimentaria, la salud
pública y la sostenibilidad de los asentamientos humanos en pueblos y ciudades (Gobernación del
Huila; CAM; USAID, 2014)
Es significativo resaltar que, en el caso del Huila, las proyecciones del IDEAM muestran
un incremento de 2o C en la temperatura media para el año 2040, que puede elevarse aún más con
las nuevas proyecciones mundiales, así como una disminución de 30% en las precipitaciones. Si
se espera para hacer frente a las consecuencias del cambio climático, en el futuro las soluciones
serán económicamente mucho más costosas y técnicamente más complicadas, con lo cual varias
generaciones de huilenses invertirán su tiempo y sus recursos económicos en temas de
14
reconstrucción, reasentamiento y restauración, en lugar de invertirlos en desarrollo, competitividad
y sostenibilidad para el departamento. (Gobernación del Huila; CAM; USAID, 2014).
Importa dejar sentado, además, que de acuerdo con el Estudio Nacional del Agua (2010), el
Huila cuenta con una demanda hídrica variable, notándose valores más altos en las zonas con
mayores asentamientos urbanos y consumos agrícolas. La oferta hídrica en condiciones secas
indica una situación más crítica para algunos municipios con respecto a las condiciones medias
reflejando la variabilidad espacial de los efectos del clima (Gobernación del Huila; CAM; USAID,
2014)
1.2.2 Pregunta de investigación
¿Cómo es el comportamiento de la oferta hídrica de la Cuenca del río Baché, para diferentes
escenarios de crecimiento poblacional y uso agrícola en el municipio de Santa María en el
Departamento del Huila?
1.3 JUSTIFICACIÓN
En el Departamento del Huila en especial en la zona norte, una de las grandes problemáticas
entre los usuarios del recurso hídrico es el derivado por el uso inadecuado de las aguas de las
corrientes hídricas superficiales y las de sus afluentes debido a la captación excesiva, las
derivaciones no autorizadas y la infiltración y percolación en canales, que han ocasionado una
disminución relevante de su caudal que afecta el desarrollo de los ecosistemas naturales que
dependen de su oferta hídrica. Esta situación genera adicionalmente conflictos sociales internos
entre los usuarios de la corriente los cuales se intensifican en los periodos secos o de verano.
15
La utilización de modelos es la forma de explicar la realidad, la forma como se reemplaza
el objeto real de estudio define el tipo de modelación, el cual puede ser físico, matemático, lógico,
análogo, etc. El proceso de modelación matemática de cualquier objeto cognitivo (proceso,
fenómeno) consiste en un plan de trabajo preciso, el cual involucra los siguientes puntos: A.
Definir el objeto de la modelación; B. Formulación del modelo conceptual; C. Selección del tipo
de modelo; D. Selección del código a aplicar; E. Parametrización del modelo; F. Validación del
modelo; G. Simulación; H. Análisis y presentación de resultados; I. Post-auditoria.
(DOMINGUEZ CALLE, 2013), Citado por (CUSGÜEN CASTRO, 2013)
Es este sentido, la herramienta de planificación integrada de recursos hídricos WEAP, es
un modelo forzado por variables climáticas que incluye rutinas diseñadas para distribuir el agua
entre diferentes tipos de usuarios desde una perspectiva humana y ecosistémica. Estas
características convierten a WEAP en un modelo ideal para realizar estudios de cambio climático,
en los que es importante estimar cambios en la oferta de agua (ejemplo: cambios en la precipitación
proyectados) y en la demanda de agua (ejemplo: cambios en la demanda por generación de
hidroelectricidad), los cuales producirán un balance de agua diferente a nivel de cuenca (PURKEY,
HUBER-LEE, YATES, HANEMANN, & HERROD-JULIUS, 2007)
Así pues, la estimación de los valores de oferta mediante la utilización de la herramienta de
modelación hidrológica enfocada a la planificación de recursos hídricos WEAP, por sus siglas en
inglés, (Water Evaluation and Planning system), permite abordar una amplia gama de situaciones
del estilo "qué pasaría si", y puede ser empleado para el análisis hidrológico en todos los tamaños
de cuencas, permitiendo evaluar las consecuencias de los cambios no deseados en el sistema y la
manera cómo estos cambios pueden ser mitigados mediante la aplicación de políticas y/o
intervenciones técnicas como por ejemplo evaluar el suministro de agua y el impacto de la
demanda tomando como base una serie de escenarios futuros en los cuales se modifica la presión
sobre el recurso hídrico teniendo en cuenta cambios en la demografía, el uso del suelo y el clima.
16
El resultado de la interacción de estos procesos naturales y antrópicos permite a las autoridades
locales y a la misma comunidad una adecuada administración, uso y manejo sostenible del agua
en la cuenca objeto de estudio (Flores Lopez, 2013).
En términos generales, el resultado del presente trabajo, permitió obtener información
relevante que mostró los impactos de la oferta y la demanda de agua para cada uno de los
escenarios propuestos en el área de estudio de la cuenca del rio Baché en el departamento del
Huila.
1.4 OBJETIVOS
1.4.1 Objetivo general
Realizar la modelación de la cuenca del Río Baché, para determinar la oferta hídrica
superficial con la utilización de la herramienta de planificación integrada de recursos hídricos
WEAP.
1.4.2 Objetivos específicos
Proyectar la oferta versus demanda del recurso hídrico para el escenario del crecimiento de
la población, con el propósito de conocer en qué medida se modifican las condiciones actuales con
respecto a la disponibilidad hídrica dentro la cuenca.
Proyectar la oferta versus demanda del recurso hídrico para el escenario de crecimiento
del uso agrícola, con el propósito de conocer en qué medida se modifican las condiciones actuales
con respecto a la disponibilidad hídrica dentro de la cuenca.
17
2 MARCOS DE REFERENCIA
Figura 1 Marcos de Referencia
Fuente: Autores.
MARCO DE REFERENCIA
MARCO CONCEPTUAL
Ciclo Hidrológico
Oferta Hídrica
Demanda Hídrica
Modelación de Cuencas
Sistemas de Información Geográficos SIG
MARCO TEÓRICO
Estudio Nacional del Agua ENA 2014
Evaluación Regional del Agua ERA 2013
MARCO JURíDICO
Política Nacional para la Gestión Integral del
Recurso Hídrico
Ley 99 de 1993
Plan de Ordenamiento Territorial Municipio de Santa María en el
Departamento del Huila
Planes de Saneamiento y Manejo de vertimientos
PSMV
MARCO GEOGRÁFICO
Cuenca del Rio Baché (Municipio de Santa
María en el Departamento del Huila)
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El esquema anterior describe los elementos básicos que orientan la ejecución del presente
trabajo. En primera instancia, se tienen en cuenta los conceptos técnicos básicos para el desarrollo
del modelo hidrológico
Dentro del marco teórico, se resaltan los estudios llevados a cabo por el Instituto de
Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales IDEAM, los cuales han sido determinantes para
la toma de decisiones en el marco de la política de Gestión Integral de Recursos Hídricos (GIRH)
adoptado por el gobierno nacional. De igual manera se tienen en cuenta los Planes de
Ordenamiento Territorial (POT) y los Planes de Saneamiento y manejo de Vertimientos (PSMV)
de los municipios objeto del presente trabajo.
Dentro del marco geográfico es importante delimitar la zona de estudio como la cuenca del
rio Baché en las zonas aferentes al municipio de Santa María en el Departamento del Huila.
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2.1 MARCO GEOGRÁFICO
Figura 2 Mapa de Localización
Fuente: Autores
2.1.1 Departamento del Huila
2.1.1.1 Localización
El departamento del Huila está localizado al suroccidente del país entre los 3º55’12” y
1º30’04” de latitud norte (entre el nacimiento del Rio Riachón, municipio de Colombia y el pico
de la Fragua, municipio de Acevedo), y los 74º25’24” y 76º35’16” de longitud al oeste del
meridiano de Greenwich ( entre el Alto de Las Oseras, municipio de Colombia y el páramo de Las
Papas, municipio de San Agustín) (Gobernación del Huila, 2016)
20
2.1.1.2 Área
Según datos tomados del mapa físico-político de Colombia elaborado por el instituto
Geográfico Agustín Codazzi, la superficie del Departamento del Huila es de 19.900 Km2 que
representa tan solo un 1.8% de la superficie total del país. Comparada con la superficie de los
demás departamentos, superando a Caldas, Atlántico, Quindío, Risaralda y Sucre, (Gobernación
del Huila, 2016).
2.1.1.3 Límites
Al norte limita con los departamentos de Cundinamarca y el Tolima al sur con los de Cauca
y Caquetá, al oriente con los departamentos de Meta y Caquetá, y hacia el Occidente con los de
Cauca y Tolima (Gobernación del Huila, 2016)
2.1.2 Municipio de Santa María
El Municipio de Santa María, se encuentra ubicado en la zona norte del Departamento del
Huila, fundado en el año 1905, su temperatura promedio es de 17°C, tiene una población de 8.733
Habitantes (Gobernación del Huila, 2016).
2.1.2.1 Topografía
Santa María está ubicado en territorios montañosos pertenecientes al relieve de la vertiente
oriental de la cordillera central, dentro de los que también se encuentras algunas zonas planas o
suavemente onduladas, que por la conformación de su topología presentan los pisos térmicos,
cálido, medio, frio y páramo, regados por las aguas de los ríos bache y yaya, además de varia
quebradas y fuentes de menor caudal (Gobernación del Huila, 2016)
21
2.1.2.2 Limites
Los límites del municipio de Santa María son: Norte: el municipio de Neiva; Sur: el
municipio de Teruel; Oriente: el municipio de Palermo; Occidente: el departamento del Tolima
(Gobernación del Huila, 2016)
Figura 3 Mapa de Localización Municipio de Santa María - Huila
Fuente: http://www.santamaria-huila.gov.co/mapas_municipio.
2.2 AREA DE ESTUDIO
De acuerdo con la formulación del plan de ordenamiento y manejo ambiental de la cuenca
hidrográfica de los Ríos Aipe y Baché del municipio de Aipe, la ubicación de la cuenca del Río
Baché, presenta un extenso territorio, que abarca espacios de los municipios de Aipe, Neiva,
Palermo, Santa María y Teruel (Huila). Según el sistema de información ambiental (SIA), tiene un
área total aproximada de 153.452,52 hectáreas. Su ubicación general según la Corporación
Autónoma del Alto magdalena (CAM), corresponde a las coordenadas planas X: 838.177.75 –
22
871.770.87 y Y: 795.304.17 – 853.286.81. Se localiza al noroccidente del departamento del Huila,
en el flanco oriental de la cordillera Central; presenta los siguientes límites: al noroccidente con la
cuenca del río Aipe; al nororiente con la cuenca de Fortalecillas Villavieja, la cual está separada
por un tramo del río Magdalena; al sur con la cuenca del río Yaguará; al suroccidente con la cuenca
del río Pérez y al occidente con el municipio de Planadas, departamento del Tolima, en
inmediaciones al parque natural Nevado del Huila. (Municipio de Aipe, 2014).
El punto más alto de la cuenca, dentro del municipio de Aipe se encuentra a 1.500 m.s.n.m.,
en el cerro Chiflón, entre las veredas Potreritos y El Tesoro. Su punto más bajo se encuentra
localizado en la desembocadura del río Baché a 400 m.s.n.m, (Forero Yañez, 2013)
La Corporación Autónoma Regional del Alto Magdalena CAM, tiene reglamentado los
usos y aprovechamiento de las aguas del Río Baché mediante resolución 3481 de 30 diciembre de
2009. El área de influencia del proyecto es la enmarcada por el área de drenaje en el punto de cierre
Hidrologico señalado con la estación Limnimetrica del IDEAM, SOCORRO EL [21127020]
identificado con coordenadas 2°57’15.3” N – 75°31’15.8”W, con un total de 30185.78 hectáreas.
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3 METODOLOGÍA
3.1 FASES PARA LA MODELACION HIDROLOGICA DE LA CUENCA
Figura 4 Diagrama Metodológico
Fuente: Autores
MODELACION HIDROLOGICA DE LA CUENCA DEL RIO BACHÉ EN EL DEPARTAMENTO DEL HUILA
1.1 Planteamiento del Problema
1.1.1 Definición Area de Estudio.
1.1.2. Revisión y Depuración de Información.
1.1.3. Definición de escenarios Futuros
(Incremento de Población, Cambio
de Cobertura)
1.1.4. Proyección de Oferta Versus
demanda
1.2 Recopilación de información
1.2.1. Cartografia (IGAC)
1.2.2. Metereologia (IDEAM)
1.2.3. Coberturas Vegetales (CAM)
1.2.4. Usos del Suelo (CAM)
1.2.5. Concesiones (CAM)
1.2.6. Demografía (DANE-SISBEN)
1.2.7. Hidrografía (CAM)
1.3 Desarrollo del modelo hidrologico
1.3.1. Procesamiento de la
Información.
1.3.2. Desarrollo del Modelo
1.3.2.1. Estructuración
1.3.2.2. Alimentación.
1.3.2.3. Calibración
1.3.2.4. Escenarios Futuros
1.3.3. Analisis de Resultados
1.3.4. Conclusiones y Recomendaciones
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Fase 1.1 – Planteamiento del Problema
Con la información obtenida se definió el área de estudio teniendo en cuenta la cartografía,
curvas de nivel, divisoria de aguas.
Se realizó la depuración de la información con el ánimo de obtener resultados de calidad.
Se definieron escenarios futuros de oferta vs demanda teniendo en cuenta el aumento de
población y cambio de cobertura vegetal.
Fase 1.2 – Recopilación de información
Se recopiló la información relacionada con la administración del recurso hídrico,
información climatológica de la zona, información cartográfica de la cuenca del Río Baché y su
respectiva demografía en entidades como la Corporación Autónoma Regional del Alto Magdalena
CAM, Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia. IDEAM,
Instituto Geográfico Agustín Codazzi IGAC, Departamento Administrativo Nacional de
Estadística DANE, Sistema de Identificación de Potenciales Beneficiarios para Programas
Sociales SISBEN, entre otras.
Fase 1.3 – Desarrollo del modelo hidrológico
Se procesó la información mediante el uso de análisis estadísticos, informáticos y
geoespaciales.
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Se construyó el modelo hidrológico siguiendo las etapas correspondientes de
estructuración, alimentación, calibración y proyección de escenarios futuros.
Se realizó el análisis de resultados, y se emitieron conclusiones y recomendaciones.
3.2 INSTRUMENTOS O HERRAMIENTAS UTILIZADOS PARA LA MODELACION
HIDROLOGICA DE CUENCAS
3.2.1 Modelos Empleados en el análisis hidrológico
Entre los componentes que son tenidos en cuenta, para la modelación hidrológica, se destaca la
cobertura y uso del suelo. Entre los modelos que representan mejor la influencia de la cobertura
en la respuesta hidrológica se cuenta con los modelos distribuidos, los cuales tienen en cuenta la
variabilidad espacial de las variables, físicamente basados. Entre los modelos que permiten evaluar
influencia en cambio de uso del suelo y cobertura vegetal, se tienen HEC-HMS, LASCAM, MIKE-
SHE, PRMS, SLURP, SWIM, WEAP, HSPF, SWAT, HSPF, WMS8, HIDROSIG, CREAMS,
SWRRB, WASIM (LOGREIRA RENTERIA, 2008), citado por (CUSGÜEN CASTRO, 2013)
A continuación se presenta una descripción de los modelos hidrológicos que podrían ser
empleados para la modelación hidrológica.
3.2.2 HEC-HMS
HEC-HMS (Hydrologic Engineer Center), fue desarrollado por el Centro de Investigación
del U. S. Army Corps of Engineers (CHOW, 1994). Éste simula procesos de precipitación –
escorrentía en sistemas dendríticos de cuencas, incluyendo hidrología de inundación, o la
escorrentía en cuencas pequeñas urbanas o naturales. Lo anterior se efectúa por medio de la
26
separación de los componentes del ciclo hidrológico y por medio de la definición de límites del
entorno del área de interés, los componentes están representados por un conjunto de parámetros
que especifican sus características particulares y las relaciones matemáticas que describen sus
procesos físicos, (CUSGÜEN CASTRO, 2013)
El modelo utilizado por HEC-HMS es un modelo determinístico, es decir, se requiere el
conocimiento de condiciones de frontera, condiciones iniciales y parámetros del modelo.
Inicialmente fue concebido para eventos pero puede emplearse para modelación continua; es apto
para escala regional o local y requiere información hidroclimatológica (LOGREIRA RENTERIA,
2008), citado por (CUSGÜEN CASTRO, 2013)
El modelo determinístico, requiere la descripción física de la cuenca, donde los elementos
son relacionado ente si, como son las subcuencas, corrientes, reservorios, sumideros, confluencias,
estructuras, etc. El programa incluye varios elementos para simular las pérdidas por infiltración,
como son el método del Número de Curva del SCS, Green Ampt, Smith Parlange, etc.; con cambiar
estos parámetros se puede representar el cambio en cobertura de suelo, para el cálculo de la su
humedad, el programa puede emplear el método de una capa de déficit constante para una
simulación simple continua, o el método de las cinco capas para simulaciones más complejas. Para
transformar el exceso de precipitación en escorrentía, incluye siete métodos, entre los que se
destacan los métodos de hidrograma unitario de Clark, Snyder y SCS, entre otros. Para determinar
las contribuciones de cada subcuenca al flujo base, el programa cuenta con cinco métodos
diferentes para esta estimación, y para las simulaciones del flujo en la corriente. Entre las
limitaciones del modelo se puede mencionar entre otras cosas que los parámetros se asumen
constantes a lo largo del tiempo (modelo estacionario). Además, calcula inicialmente la
evapotranspiración y luego la infiltración, en la realidad son procesos que se desarrollan de forma
simultánea (LOGREIRA RENTERIA, 2008), citado por (CUSGÜEN CASTRO, 2013).
27
3.2.3 WEAP
WEAP (Water Evaluation and Planning System), fue desarrollado por el Instituto
Ambiental de Estocolmo (SEI, por sus siglas en ingles), con el fin de Simular procesos como
lluvia- escorrentía, flujo base, recarga subterránea. Este es un modelo de planeamiento integrado
del recurso hídrico, opera bajo el modelo de balance hídrico y puede ser aplicado a los sistemas
agrícolas y municipales, a cuencas pequeñas o grandes. El modelo trabaja con el balance de masa
a nivel mensual, el agua es despachada para cumplir con los requerimientos de consumo, sujeto a
demandas prioritarias. Se puede escoger entre tres métodos de simulación para procesos como
escorrentía, infiltración e irrigación, dependiendo del nivel de complejidad que se requiera. Se
requiere información como el tiempo de simulación, fronteras espaciales de la simulación, etc., y
como datos de entrada, precipitación, radiación solar, caudales, etc. (LOGREIRA RENTERIA,
2008), citado por (CUSGÜEN CASTRO, 2013)
De igual manera, tiene capacidad para hacer análisis sectoriales, de conservación de agua,
derechos de agua, operación de embalses, generación hidroeléctrica, rastreo de contaminantes,
calidad de agua, valoración de vulnerabilidad y mantenimiento de los requerimientos de los
ecosistemas, también cuenta con un módulo de análisis financiero que permite hace comparaciones
beneficio- costo de diferentes proyectos o alternativas. Permite considerar alternativas de
desarrollo y valorar los efectos en las políticas, costos, hidrología, abastecimientos municipales e
industriales y el clima (LOGREIRA RENTERIA, 2008), citado por (CUSGÜEN CASTRO, 2013)
El desarrollo de aplicaciones de WEAP sigue un enfoque común, el primer paso es la
definición del estudio, aquí es donde el área de estudio y el sistema de los componentes espaciales
de la zona de interés se definen y el horizonte de tiempo del análisis se establece. Después de esta
evaluación inicial, se define las “cuentas corrientes (current accounts)”. Esto es una representación
de la línea base del sistema - incluyendo las reglas de operación vigentes para ambas ofertas y
28
demandas. Otra forma de interpretar las “cuentas corrientes” es la representación espacial y
temporal del sistema como una fotografía, la cual es implementada en el modelo WEAP. Las
cuentas corrientes sirven como punto de partida para el desarrollo de escenarios, que caracterizan
conjuntos alternativos de supuestos futuros en relación a las políticas, los costos y los factores que
afectan la demanda, cargas de contaminantes y suministros. Por último, los escenarios son
evaluados con respecto a la disponibilidad de agua, costos y beneficios, la compatibilidad con los
objetivos ambientales y la sensibilidad a la incertidumbre en las variables claves, (LOGREIRA
RENTERIA, 2008), citado por (CUSGÜEN CASTRO, 2013)
3.2.4 SWAT
SWAT (Soil and Water Assessment Tool), fue desarrollado por el USDA Agricultural
Service (ARS) con el objetivo de simular el proceso lluvia escorrentía, prácticas de cultivo,
coberturas vegetales, producción de sedimentos, etc. El modelo subdivide la cuenca en áreas de
propiedades similares como pueden ser características climáticas, hidrológicas, de erosión de
nutrientes, agrícolas o urbanos (LOGREIRA RENTERIA, 2008), citado por (CUSGÜEN
CASTRO, 2013)
Es un modelo unidimensional, físicamente basado que puede ser aplicada a escala regional
o local. Trabaja por unidades de respuesta hidrológica, las cuales son el cruce de los diferentes
tipos de suelo y a cada una se le asigna un atributo diferencial. Este modelo está basado en el
balance hídrico, y es dividido en dos fases, la terrestre, que controla la cantidad de agua,
sedimentos, nutrientes y pesticidas en la corriente de cada cuenca; y la segunda fase o módulo del
agua que se especializa en el movimiento de esta a través de la red hídrica de la cuenca
(LOGREIRA RENTERIA, 2008), citado por (CUSGÜEN CASTRO, 2013).
29
Este modelo es aplicado ampliamente a nivel mundial, y se caracteriza por ser muy
demandante en sus requerimientos de información de entrada, sin embargo, es útil para los
requerimientos de largo plazo. Entre los datos que se requiere se tiene precipitación diaria,
radiación solar, humedad relativa, temperatura, caudales, etc. La delimitación de la cuenca se
efectúa por medio del DEM, (LOGREIRA RENTERIA, 2008), citado por (CUSGÜEN CASTRO,
2013)
Por otra parte (Borden, Gaur, & Chabungbam R., 2016) coincide con los paquetes de
software de recursos hídricos mencionados en los párrafos anteriores y agrega otros, en este caso
para la gestión de problemas de recursos hídricos de la India, 22 Software de 12 desarrolladores
fueron evaluados en función de la funcionalidad computacional, la facilidad de interfaz de usuario
o el uso y las capacidades para proporcionar una visión general de alto nivel del software de
recursos hídricos actualmente disponibles, como se ilustra en la tabla 1. Los desarrolladores de
software incluyen Aquaveo, Universidad Estatal de Colorado (CSU), Deltares, Agua Medio
Ambiente Salud (DHI), eWater, Instituto Nacional de Hidrología de la India (NIH), Rockware,
Instituto Ambiental de Estocolmo (SEI), Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos
(USACE), Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA) y el Estudio Geológico
de los Estados Unidos (USGS).
30
Desarrollador Software
Aplicaciones de Recursos Hídricos
Llu
via
-Esc
orr
entí
a
Dis
trib
uci
ón d
e ag
ua
Ruta
de
flujo
en r
íos
Hid
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inundac
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Agua
subte
rrán
ea**
Uso
Conju
nti
vo
Cal
idad
de
agua
Tra
nsp
ort
e de
sedim
ento
s
Aquaveo GMS - - - - - - - - X - X -
CSU MODSIM-DSS - X X - X - - - - - - -
Deltares Delft3D Suite X - X - X - X X - - X X
Deltares iMod - - - - - - - - X - X -
Deltares RIBASIM X X X - X X - - - - X -
Deltares SOBEK v2.14 X X X - X - X X - - X X
DHI MIKE11 X X X - X - X X - - X X
DHI MIKE SHE-MIKE11 X X X X X X X - X X X -
DHI MIKE FLOOD X - X - X - X X - - X X
DHI MIKE21C - - X - - - - - - - X X
DHI MIKE HYDRO Basin X X X - X X - - - - X -
eWater Source X X X X X X - - X X X -
NIH ReSyP - - - - X - - - - - - -
RockWare Groundwater Vistas - - - - - - - - X - X -
SEI WEAP X X X - X X - - - - X -
USACE GSSHA(WMS) X X X X X X X - X X X -
USACE HEC-RAS, HEC-HMS, HEC-RESSIM
X - X - X - X X - - X X
USDA SWAT X - X X - X - - X X X X
USGS MODFLOW - - - - - - - - X X X -
USGS GSFLOW X - X X - - - - X - X -
USGS MODFLOW-OWHM - X X X - X - - X X X -
Waterloo Hydrogeologic
Visual MODFLOW - - - - - - - - X - X -
* Simula el ciclo hidrológico completo más allá de los modelos conceptuales de lluvia-escorrentía.
** Simula el movimiento del agua subterránea usando ecuaciones físicas aplicadas a una cuadrícula discretizada.
Tabla 1 Software de recursos hídricos y su relevancia para los problemas de
recursos hídricos manejados en la India
Fuente: Borden, 2016
31
3.2.5 SELECCIÓN DEL MODELO A UTILIZAR
Los modelos que se han adoptado para el desarrollo de la Modelación hidrológica de los
impactos de los escenarios de cambio climático en la escorrentía superficial fueron adoptados de
acuerdo a la información disponible, a la escala espacial y temporal y a las necesidades de inclusión
de captaciones y usos, entre otros criterios. Al evaluar la variedad de modelos disponibles, se
seleccionó WEAP por varios aspectos:
1. De acuerdo a la información histórica climatológica e hidrológica suministrada con
resolución mensual.
2. De acuerdo a las variables climatológicas que se tienen en cuenta como
determinantes en la evaluación de la afectación de los recursos hídricos se
encuentran en periodos de treinta años, a nivel mensual.
3. De acuerdo a necesidades de manejo de cuencas (planeación y evaluación de
escenarios).
4. De acuerdo a la necesidad de modelar la hidrología base y la futura a una escala
temporal de meses y no de eventos.
5. De acuerdo a la necesidad de modelar la hidrología a una escala espacial tan
pequeña como sea requerida por el usuario.
6. De acuerdo a la necesidad de incluir cambio de uso del suelo y crecimiento
poblacional en el modelo, lo cual WEAP permite incluirlo.
7. De acuerdo a la visión de incluir cambio en coberturas y uso del suelo como otra
variable que define el efecto en la respuesta hidrológica de las cuencas.
En conclusión, para el desarrollo de la modelación hidrológica se escogió como modelo
WEAP (Water Evaluation and Planning System), porque es un modelo de planeamiento
especialmente flexible en cuanto a la inserción de demandas y usos en la cuenca; además, permite
32
evaluar escenarios futuros alternativas de desarrollo hidrologico, abastecimientos municipales e
industriales y cambio climático.
3.3 IMPLEMENTACION DEL MODELO WEAP.
Los diferentes componentes de suministro y demanda de agua para la construcción del
modelo hidrológico de la cuenca del Rio Bache en WEAP se agrupan principalmente en cuencas,
cobertura vegetal, demanda de agua e hidroclimatologia como se describe a continuación.
3.3.1 Cuencas
Teniendo en cuenta el estudio de zonificación y clasificación de cuencas para el
Departamento del Huila del año 2005, disponible en la base de datos cartográfica de la CAM, se
tienen 18 subcuencas, para la cuenca del Rio Bache representadas como corrientes tributarias
directas e indirectas al cauce principal, con un único punto de monitoreo de caudal ubicado en la
salida de la cuenca (figura 14), su área de drenaje corresponde a 301.86 km2 como se ilustra en la
tabla 2. El modelo se alimentó a través de bandas de elevación cada 500 metros, configurando un
total de 66 unidades hidrológicas o catchments, ilustrado en el esquema de la figura 5.
33
Figura 5 Modelo Esquemático de la cuenca Rio Baché
Fuente: Autores, obtenido con WEAP
3.3.2 Cobertura Vegetal
Con respecto al tipo de cobertura y cultivos, se determinaron cinco (5) coberturas vegetales,
Aguas Abiertas, Bosque, Café, Pastos, y Zona Urbana como se observa en la tabla 2
Cobertura Area (Km2) Porcentaje (%)
Aguas Abiertas 0.15 0.05%
Bosque 130.79 43.33%
Cafe 10.61 3.51%
Pastos 160.14 53.05%
Zona Urbana 0.18 0.06%
Total general 301.86 100.00%
Tabla 2 Tipo de cobertura y cultivos en el área de la cuenca Rio Baché
34
Fuente: Autores
3.3.3 Demanda de agua
Hay varias maneras de estimar la demanda de agua dentro del modelo hidrológico WEAP.
Esto depende de la población y/o el área de riego y de una tasa de uso del agua asociado con estas
entidades. Estos datos pueden ser estimados usando registros históricos, cambios de uso del suelo,
distribución de la población, censos, etc. En este ejercicio se consideró una demanda de agua para
consumo humano de la zona urbana del municipio de Santa María, representado por un único nodo
de demanda, punto rojo en la Figura 5 al cual se le incluyó la ecuación de crecimiento mostrada
en la figura 6, teniendo en cuenta las estimaciones de población 1985 - 2005 y proyecciones de
población 2005 - 2020 total municipal según el Departamento Administrativo Nacional de
Estadística – DANE, con una población total de 2723 habitantes y una tasa de crecimiento anual
de 1.2%.
Figura 6 Ecuación de crecimiento poblacional municipio de Santa Maria
Fuente: Autores
y = 0.4949x2 - 1942.4x + 2059.9
R² = 0.991
0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
3.500
4.000
1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020
Ha
bit
an
tes
Años
Población Santa María
35
Por otra parte en cuanto a las demandas hídricas para cultivos agrícolas en la cuenca del
Rio Baché no se obtuvo registro siendo el mayor uso cultivo de arroz y su abastecimiento se hace
aguas abajo del punto de cierre, para este ejercicio únicamente se les activó el sistema de riego con
prioridad de segundo orden a los catchments con cobertura de café y pastos el cual internamente
simula la humedad del suelo, para escenarios futuros se planteó conservación de bosques y
crecimiento en la frontera agrícola, este tema se tratará más adelante
3.3.4 Hidroclimatologia
WEAP utiliza datos climáticos como eje fundamental de los procesos de control de caudal
(suministro de agua) y de la evapotranspiración (demanda de agua), en este contexto tenemos que
la cuenca del Rio Bache se caracteriza por poseer variaciones altimétricas o de relieve. Lo que
influye en el régimen de distribución de lluvias, temperatura, condiciones de humedad ambiental
y acción de los vientos, permitiendo contar con una alta variación climática. La temperatura oscila
entre los 7.4°C en las zonas más altas y 24.2°C en las zonas bajas, de acuerdo con datos obtenidos
con WEAP mostrados en la figura 9, información procesada de las estaciones del IDEAM
La información Climática de precipitación, temperatura, humedad relativa, velocidad del
viento y brillo solar, (Figuras 8 a 12) que alimenta el modelo de la Cuenca del Rio Bache es tomada
de la red de estaciones del IDEAM localizadas dentro y fuera del área de influencia cuyos rangos
de elevación van desde 866 msnm hasta 2326 msnm. Estas estaciones proporcionaron información
media mensual para el periodo 1970 al 2014, con procedimientos de interpolación (Inverse
Distance Weight-IDW), se generaron series mensuales para cada uno de los 66 catchments
(unidades hidrológicas) implementados en el modelo WEAP (ver Figura 5 donde se presentan los
diferentes catchments implementados). En la Tabla 3 se presentan las principales características
de las estaciones de IDEAM consideradas en la cuenca del Rio Baché.
36
Nombre estación Altitud (msnm) Categoría Nombre Categoría
STA MARIA [21125010] 1300 CO Climatologica Ordinaria
SOCORRO EL [21127020] 866 LM Limnimetrica
MINA LA [21080080] 1800 PG Pluviografica
PARAGUAY HDA [21120010] 1300 PM Pluviometrica
STA MARIA [21120020] 1315 PM Pluviometrica
VOLCAN EL [21120100] 1105 PM Pluviometrica
CARMEN EL [21130060] 2250 PM Pluviometrica
PENA RICA [22020020] 1793 PM Pluviometrica
RIOCLARO [22020060] 2326 PM Pluviometrica
APTO BENITO SALAS [21115020] 439 SS Sinoptica Secundaria
Tabla 3 Estaciones Climáticas utilizadas en la Cuenca Rio Baché
Fuente: IDEAM
Figura 7 Localización de estaciones
Fuente: Autores
37
Figura 8 Precipitación
Fuente: Autores, Obtenido con WEAP
Figura 9 Temperatura
Fuente: Autores, obtenido con WEAP
38
Figura 10 Humedad Relativa
Fuente: Autores, obtenido con WEAP
Figura 11 Velocidad del Viento
Fuente: Autores, obtenido con WEAP
39
Figura 12 Brillo Solar
Fuente: Autores, obtenido con WEAP
3.3.5 Hidrología
De los métodos hidrológicos con que cuenta WEAP, se utilizó el método de Dos-Baldes
(Soil-Moisture Method) para determinar el escurrimiento superficial, consiste en dividir el perfil
del suelo en dos capas o baldes. Este es un método semi-empírico que determina la
evapotranspiración, escorrentía superficial, flujo sub-superficial, percolación, y flujo base. Los
parámetros utilizados en el modelo del Rio Baché necesarios para implementar este método se
describen a continuación.
• Área: área que debe tener cada catchment dentro de WEAP. Se determinó el área de cada
unidad hidrológica y las áreas correspondientes a los cinco tipos de coberturas generales
determinados para la cuenca. Estos seis tipos de cobertura son: Aguas Abiertas, Bosques, Café,
Pastos, y Zonas Urbanas como se muestra en la figura 13
40
Figura 13 Datos de área por Unidad Hidrológica
Fuente: Autores, obtenida con WEAP
• Kc: Es el coeficiente de cultivo, que sirve para calcular la evapotranspiración de los
diferentes tipos de cobertura vegetal usando la evapotranspiración Potencial de Referencia
utilizando la ecuación de Penman Monteith
• Soil Water Capacity (SWC): Capacidad de almacenamiento de agua en la zona de raíces
en mm, la cual está ubicada en el primer balde o primer estrato. Este parámetro se refiere al estrato
ocupado por las raíces de las plantas.
41
• Deep Water Capacity (DWC): Capacidad de almacenamiento de agua en el segundo balde
o el estrato inferior del perfil del suelo en mm. Este estrato es el mismo para todo el catchment y
no toma en cuenta las coberturas vegetales dentro del catchment. Se puede definir como el
almacenamiento en el subsuelo de agua de la subcuenca por unidad de área.
• Runoff Resistance Factor (RRF): Este factor controla la respuesta de la subcuenca a la
escorrentía superficial. Está relacionada ya sea con el índice de área foliar y/o la pendiente del
terreno.
• Root Zone Conductivity (RZC): Es la conductividad hidráulica en estado de saturación
del estrato superior (mm/mes). Este parámetro controla el flujo sub-superficial.
• Deep Conductivity (DC): Es la conductividad hidráulica en estado de saturación del
estrato inferior (mm/mes). Este parámetro controla el flujo base.
• Preferred Flow Direction (PFD): Este parámetro controla el flujo preferente en el estrato
superior. Con este parámetro se puede indicar que flujo hay dentro de este estrato si es horizontal
(1.0), vertical (0.0) o la combinación de ambos (entre 0 y 1).
• Initial Z1: Es el porcentaje de humedad del suelo del estrato superior con el que se
empieza la simulación.
• Initial Z2: Es el porcentaje de humedad del suelo del estrato inferior con el que empieza
la simulación.
Los parámetros utilizados para representar la hidrología del modelo del Rio Baché con el
método de Doble-Balde se presenta en la Tabla 4
42
3.3.6 Caudales de aforo
El modelo de la cuenca del Rio Bache cuenta con una estación de aforo del IDEAM
identificado con el código 21127020 de nombre El Socorro, el cual determinó el área de captación
o drenaje, la ubicación geográfica se muestra en la Figura 7. El período histórico de información
de la estación hidrológica es noviembre de 1971 hasta marzo de 2013 a resolución mensual, esta
información será utilizada para la calibración.
3.4 CALIBRACION DEL MODELO.
La etapa de calibración del modelo se desarrolló manualmente buscando reproducir con
WEAP lo más cercanamente posible los correspondientes caudales históricos medidos en la
estación El Socorro, siendo necesario comparar con los simulados (figura 14), aplicando métricas
estadísticas se estima la precisión del modelo para determinar en qué sentido se debe mejorar la
calibración ajustando los parámetros descritos en el item anterior 3.3.5, resumidos en la tabla 4.
Cobertura Kc RRF
RZC
(mm/mes) PDF SWC (mm)
Rango Rango Rango
Aguas Abiertas 1.00 - 1.00 10.0 – 10.0 100 - 245 0.60 480
Bosques 0.84 - 1.26 10.0 – 10.0 100 - 245 0.45 560
Café 0.74 - 1.12 10.0 – 10.0 100 - 245 0.50 520
Pastos 0.80 - 1.10 10.0 – 10.0 100 - 245 0.60 520
Zonas
Agrícolas 0.80 - 1.10 10.0 – 10.0 100 - 245 0.50 480
Zonas Urbanas 1.00 - 1.00 10.0 – 10.0 100 - 245 0.65 592
Parámetro Valor
DC 90 mm/mes
DWC 1400 mm
Z1 40%
Z2 30%
Tabla 4 Parámetros de Calibración Utilizados en WEAP
Fuente: Autores, obtenido con WEAP
43
Estos parámetros del método de lluvia escorrentía son los responsables del comportamiento
del caudal, por ejemplo, el factor de resistencia a la escorrentía (RRF) y conductividad de zona de
raíces (RZC) son los que se ajustan cuando el interés es aumentar la respuesta de caudales pico,
así mismo la conductividad de zona profunda (DC) y la dirección preferencial del flujo (PFD) para
afectar los caudales base, y así hasta lograr la mejor respuesta de correlación entre los caudales
simulados y observados.
La Guía Metodológica desarrollada por el Centro de Cambio Global-Universidad Católica
de Chile y el Instituto Ambiental de Estocolmo (SEI) en el año 2009, presenta aspectos
metodológicos y prácticos de la etapa de calibración del modelo, por ejemplo, si en un elemento
especifico falta un valor, WEAP suspende la ejecución y emite un aviso de error indicando cual es
el parámetro faltante.
Figura 14 Caudales simulados y observados del
modelo hidrológico para la cuenca del rio Baché.
Fuente: Autores, obtenido con WEAP
0
5
10
15
20
25
30
35
ene-
72
may
-74
sep
-76
ene-
79
may
-81
sep
-83
ene-
86
may
-88
sep
-90
ene-
93
may
-95
sep
-97
ene-
00
may
-02
sep
-04
ene-
07
may
-09
sep
-11
Cau
dal
(m
3/s
)
Observados Simulados
44
En general la calibración fue evaluada a través de métricas estadísticas de desempeño, el
criterio para interpretarlas es el siguiente:
Nash-Sutcliffe: entre más cerca de 1.0 mejor la correspondencia entre los datos observados
y simulados, para este ejercicio el resultado fue 0.469
Bias: entre menor el porcentaje de Bias, mejor la correspondencia entre los datos
observados y simulados. Un Bias positivo indica sobre estimación y un Bias negativo indica sub-
estimación de caudales, de acuerdo a los parámetros observados y simulados el resultado fue
4.482%
3.5 CREACION DE ESCENARIOS.
Una vez obtenido lo más cercanamente posible el correspondiente caudal simulado con
respecto al observado y verificado sus métricas, se logró obtener la representación de la dinámica
hídrica de la cuenca del Rio Bache, este paso de calibración es fundamental para realizar el estudio
específico correspondiendo a la evaluación de diferentes escenarios potenciales futuros, en este
ejercicio académico de aplicación se tiene como incertidumbre los objetivos específicos del
proyecto de grado que son el cambio demográfico y dinámica agrícola, como plus escenarios de
cambio climático, los cuales se describen a continuación:
3.5.1 Cambio demográfico
Existe incertidumbre respecto al crecimiento de la población sin embargo, el DANE
determinó un crecimiento de 1.2% anual. Tomando escenarios adversos se ha considerado como
ejercicio de aplicación un incremento de población bajo 0.1%, medio 1.6% y alto 2.9%, con base
45
a estos índices de crecimiento se ha realizado tres proyecciones de población hasta el año 2050
como se aprecia en la Figura 15.
Figura 15 Crecimiento poblacional
Fuente: Autores
3.5.1 Dinámicas agrícolas
Como se mencionó en el ítem 3.3.3, se ha planteado un escenario de conservación y otro
teniendo en cuenta los efectos del crecimiento de la frontera agrícola o cambios en patrones de
cultivo con el propósito de atender con éxito el segundo objetivo específico de este ejercicio
académico. En este sentido se considera que hacia el año 2035 se haya ampliado en un 90% la
zona boscosa de la cuenca abastecedora aguas arriba de la bocatoma del acueducto municipal de
Santa María, en igual porcentaje se prevé efectos de crecimiento en las coberturas de café y pasto
en áreas actuales afectando principalmente el bosque, las proyecciones de estos comportamientos
se ilustran gráficamente en las figuras 16 a 18
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
1970
1973
1976
1979
1982
1985
1988
1991
1994
1997
2000
2003
2006
2009
2012
2015
2018
2021
2024
2027
2030
2033
2036
2039
2042
2045
2048
Hab
itan
tes
Años
Escenarios Crecimiento Poblacional
Bajo 0.1%
Medio 1.6%
Alto 2.9%
46
Figura 16 Cobertura proyectada pasto a bosques
Fuente: autores. Obtenido con WEAP
Figura 17 Cobertura proyectada bosque a café
Fuente: Autores, obtenido con WEAP
47
Figura 18 Cobertura proyectada bosque a pastos
Fuente: Autores, obtenido con WEAP
3.5.2 Escenarios Climáticos
De acuerdo con (Angarita, 2014) las evaluaciones de cambio climático en los sistemas
hidrológicos fundamentalmente buscan establecer como a diferentes escalas espaciales y
temporales, los cambios en los atributos del clima pueden modificar la disponibilidad de agua en
una cuenca, a su vez establecer como estos cambios pueden producir alteraciones en los sectores
hidro-dependientes por ejemplo los acueductos y la agricultura o los ecosistemas que dependen de
patrones específicos de disponibilidad hídrica en la cuenca. En estos términos para el modelo de
la cuenca del Rio Bache se consideraron tres incertidumbres en clima y tres adversidades en la
demografía, al combinarse generaron nueve escenarios para el periodo 2015-2050, estas
incertidumbres se ilustran en la Tabla 5
El modelo del Rio Bache se corrió bajo el escenario de referencia, es decir un escenario sin
cambios en el sistema con la serie histórica de información meteorológica de 1970 - 2014 y los
48
escenarios que incluye las incertidumbres mostradas en la tabla 5. Posteriormente, se toman las
series climáticas futuras (figura 19) proyectadas comenzando en el año 2015 hasta el 2050, bajo
estas condiciones el modelo de la cuenca del Rio Bache se corrió en su totalidad para el periodo
histórico y futuro es decir, los años entre 1970 y 2050 a un paso de tiempo mensual.
Nombre Categoría Escenario
Clima
Histórico Suministrado por el IDEAM
3 Tendencial Escenario MPI-ESM-MR
Mayor Variabilidad Escenario CanESM2 R3
Población
Bajo Tasa de crecimiento del 0.1%
3 Medio Tasa de crecimiento del 1.6%
Alto Tasa de crecimiento del 2.9%
Combinación de incertidumbres 9
Tabla 5 Incertidumbres definidas en la cuenca del Rio Bache
Fuente: Autores
Las categorías para los escenarios climáticos tendencial (MPI-ESM-MR) y de mayor
variabilidad (CanESM2 R3) fueron tomados de la metodología para incluir variabilidad climática
y escenario de cambio climático en el modelo WEAP de la macro cuenca del Magdalena
desarrollado por (Angarita, 2014), conforme a esta metodología para el escenario tendencial
consiste en aumentar la temperatura media en el orden de +0,9 a +2°C en el horizonte del tiempo
futuro y 1.05% al promedio de la precipitación histórica, en cambio para el escenario de mayor
variabilidad el enfoque es ampliar los valores extremos, esta descripción se observa gráficamente
en la figura 19, la distinción por colores es únicamente por presentación.
49
Figura 19 Escenarios climáticos futuros
Fuente: Angarita 2014
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Tendencial
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4 RESULTADOS
4.1 PRESENTACION DE RESULTADOS DEL MODELO WEAP DE LA CUENCA DEL
RIO BACHE.
Para empezar se expone en la tabla 6 los resultados numéricos de los caudales de oferta
versus demanda según el planteamiento realizado para las nueve combinaciones generadas por
crecimiento poblacional, cambio de cobertura e incertidumbres climáticas para el periodo 2015 –
2050, el escenario Histórico o de referencia mostrado, son las condiciones actuales en la cuenca
del Rio Bache comprendido en el periodo 1970 - 2014.
PERIODO CLIMA POBLACIÓN CONVENCION
CRECIMIENTO
POBLACIONAL
CRECIMIENTO
AGRICOLA
OFERTA
LPS
DEMANDA
LPS
OFERTA
m3/S
DEMANDA
m3/S
1971-2015 Actual Actual Histórico 124.27 8.84 7.54 0.04
2015-2040 Histórico Baja CHPB 71.67 12.02 5.83 0.10
2015-2040 Histórico Media CHPM 69.20 14.49 5.83 0.10
2015-2040 Histórico Alta CHPA 66.52 17.16 5.83 0.10
2015-2040 Tendencial Baja CTPB 53.66 11.98 4.42 0.07
2015-2040 Tendencial Media CTPM 51.20 14.45 4.42 0.08
2015-2040 Tendencial Alta CTPA 48.52 17.13 4.42 0.08
2015-2040 Variabilidad Baja CVPB 67.08 12.05 5.37 0.04
2015-2040 Variabilidad Media CVPM 64.60 14.53 5.36 0.05
2015-2040 Variabilidad Alta CVPA 61.90 17.22 5.36 0.05
Tabla 6 Parámetros de escenarios futuros Rio Baché
Fuente: Autores, obtenido con WEAP
Para comprender mejor los resultados de los escenarios considerados, en las figuras 20 y
21 se ilustran los caudales de oferta versus demanda del planteamiento realizado para diferentes
escenarios potenciales futuros correspondientes a la evaluación del cambio demográfico y la
dinámica agrícola, en concordancia con el ítem 3.5.1 la conservación de bosque se realizó en el
área de drenaje de la bocatoma y para el incremento de las coberturas de café y pasto se realizó el
51
análisis en el punto de cierre de la cuenca del Rio Bache (Figura 21). Para una mejor interpretación
en la lectura de las figuras 20 y 21, el significado de las siglas se halla en la tabla 6.
Figura 20 Oferta Versus demanda de crecimiento poblacional
Fuente: Autores, obtenido con WEAP
Figura 21 Oferta versus demanda de cambio de cobertura
Fuente: Autores, obtenido con WEAP
124,27
71,67 69,20 66,52
53,66 51,20 48,52
67,08 64,60 61,90
8,84 12,02 14,49 17,1611,98 14,45 17,13
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Historico CHPB CHPM CHPA CTPB CTPM CTPA CVPB CVPM CVPA
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Historico CHPB CHPM CHPA CTPB CTPM CTPA CVPB CVPM CVPA
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Oferta - Demanda cambio uso agrícola
Oferta m3/s Demanda m3/s
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4.2 INTERPRETACION DE RESULTADOS DE LOS ESCENARIOS PLANTEADOS
AL MODELO WEAP DE LA CUENCA DEL RIO BACHE.
De las combinaciones de las incertidumbres planteadas para el abastecimiento del
acueducto del municipio de Santa María, se considera crítico en referencia con los demás
resultados el clima tendencial con crecimiento de población alta (CTPA) ya que su oferta hídrica
es la más baja con 48.52 litros por segundo y la demanda para uso doméstico es la más alta
consumiendo 17.13 litros por segundo de acuerdo a la tabla 6, en estos términos la presión de la
demanda por uso de agua es de 35% clasificado como presión alta con respecto a la oferta
disponible, según el Estudio Nacional del Agua ENA realizado por el (Instituto de Hidrología,
Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia. IDEAM, 2014)
Estimando un promedio de oferta y demanda con los valores mostrados en la columna de
crecimiento agrícola de la tabla 6 considerando los nueve escenarios para el periodo 2015-2050,
se tiene que la cuenca ofrece 5.21 m3/s a la salida mientras que el promedio de la demanda es 80.0
litros por segundo (0.08 m3/s), en consecuencia la presión de la demanda es de 1.44% considerado
como presión baja con respecto a la oferta disponible según el Estudio Nacional del Agua ENA
realizado por el (Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia.
IDEAM, 2014).
En términos generales el comportamiento de la oferta hídrica de la Cuenca del río Baché
disminuye tanto para el escenario de crecimiento poblacional como para uso agrícola del municipio
de Santa María en el departamento del Huila, en 50.4% y 30.9% respectivamente, en este sentido
se da alcance al propósito de conocer en qué medida se modifican las condiciones actuales con
respecto a la disponibilidad hídrica dentro la cuenca.
Las variaciones en la cobertura vegetal generan alteraciones en la oferta hídrica hasta un
41.4% con respecto a la actual, según el escenario tendencial mostrado en la tabla 6.
53
5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
La modelación hidrológica del río Baché, en el departamento del Huila, mediante el uso de
la herramienta de planificación integrada de recursos hídricos WEAP, aporta el conocimiento de
la oferta hídrica bajo escenarios de cambios de uso y crecimiento poblacional de la zona y mejora
el apoyo a la toma de decisiones, especialmente en instrumentos de planeación regional e integral
del recurso hídrico.
En términos generales el comportamiento de la oferta hídrica de la Cuenca del río Baché
disminuye tanto para el escenario de crecimiento poblacional como para uso agrícola del municipio
de Santa María en el departamento del Huila, en 50.4% y 30.9% respectivamente, en este sentido
se da alcance al propósito de conocer en qué medida se modifican las condiciones actuales con
respecto a la disponibilidad hídrica dentro la cuenca.
Según expedientes de la Corporación Autónoma Regional del Alto Magdalena CAM, la
concesión de la captación para el Acueducto del Municipio de Santa María es de 7.0 lps y
proyectado al año 2050 un caudal de 13.04 lps, y de acuerdo con los resultados de la modelación
(tabla 6) el valor del caudal actual es 8.84 lps y el proyectado promedio de 14.56 lps, lo que indica
que la herramienta WEAP reproduce en buena medida las demandas de la cuenca del Rio Bache
Con el modelo de la cuenca del Rio Bache se representa las capacidades de la plataforma
de manejo integral de recursos hídricos WEAP, como aplicación específica puede ayudar a
entender las dinámicas de un sistema complejo e interconectado como una cuenca y brinda
nociones de operación junto con la implementación de incertidumbres en escenarios a modelar
para determinar la respuesta a cambios potenciales.
54
El software de modelación de recursos hídricos WEAP es una herramienta de gran utilidad
como apoyo a las Autoridades Ambientales, tomadores de decisión, proveedores y usuarios del
recurso hídrico puesto que brinda la posibilidad en el desarrollo de estrategias de mitigación y
adaptación al cambio climático brindando orientación en tareas de planificación y gestión del
recurso hídrico.
Se recomienda actualizar el presente estudio y establecer un seguimiento del cambio de
coberturas por medio de imágenes satelitales, con el fin de enriquecer la información histórica, y
así poder establecer una tendencia clara en cambio y uso del suelo. Para evaluar la expansión
urbana y el crecimiento demográfico, se debe validar la información a medida que pase el tiempo,
teniendo en cuenta que la ecuación de crecimiento poblacional pierde representatividad de acuerdo
a los cambios demográficos presentados.
55
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