Avance 2 - Caso De Estudio.docx

MODELACIÓN DE LAS VARIACIONES EN EL FLUJO DE UNA CUENCA HIDROLÓGICA A CAUSA DE LA AGRICULTURA

PRESENTADO POR: FARDY DIAZ CALEÑO KATHERINE MUÑOZ NATALIA VALENCIA CASTILLO YOLY MILEIDY VELEZ DURAN

PRIMER AVANCE DE REVISIÓN

PRESENTADO A: ING. JAVIER E. HOLGUÍN GONZÁLEZ

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE MECÁNICA Y ENERGÉTICA SANTIAGO DE CALI MARZO 2019

1. INTRODUCCIÓN Las cuencas hidrográficas son un importante reservorio de agua dulce y ofrece grandes beneficios a la sociedad, la flora y la fauna circundante. Según el Código Nacional de Recursos Naturales Renovables una cuenca hidrográfica se define como “el área donde las aguas superficiales o subterráneas vierten a una red hidrográfica natural, con uno o varios cauces naturales, de caudal continuo o intermitente, que confluyen en un curso mayor, que a su vez puede desembocar en un río natural, en un depósito natural de aguas, en un pantano o directamente en el mar” (Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible, 2014, p. 224). Por tanto, permiten el correcto funcionamiento de los ecosistemas, debido a que provee el desarrollo de sistemas bióticos y el abastecimiento de agua para usos domésticos, recreativos, agrícola e industrial. Así mismo, la cuenca hídrica funciona como un regulador de caudales de agua, lo que previene las inundaciones y permite la disponibilidad de las fuentes de calidad, ya que dentro de la misma ocurren procesos que mejoran las propiedades químicas del agua ( FAO, 2019, párr.2). Actividades como la agricultura y la seguridad alimentaria dependen directamente del agua superficial y de los sedimentos orgánicos transportados por las laderas de la cuenca, los cuales, otorgan los nutrientes necesarios para la óptima producción en suelos. Pese al crecimiento acelerado de la población actualmente, se incrementa la demanda de agua, generando una alta tensión sobre las fuentes hídricas. El aumento en la producción de alimentos se traduce en una importante pérdida de vegetación nativa, el cambio de la estructura del suelo, el deterioro de los ríos, y variaciones de flujo de la fuente de agua. Debido a lo anterior, existen instrumentos orientados a la gestión integrada del recurso hídrico, pero estos no necesariamente siguen los desarrollos conceptuales y tecnológicos para el monitoreo y pronóstico hidrológico. Cabe resaltar que el conocimiento básico de las cuencas hidrológicas como unidad de gestión, permite la realización de estudios de caracterización y diagnóstico del recurso hídrico, con lo que se podría establecer lineamientos para su protección, uso y disponibilidad en proyectos actuales y futuros; como también mitigar la contaminación y prevenir amenazas de inundación y sequía (Rojas, et al. 2013). Una de las formas de conocer el estado de una cuenca es mediante una simulación o modelación. Los modelos son herramientas que permiten representar una situación y predecir sus consecuencias sin necesidad de llevarlas a la realidad. Por tanto, en el presente documento se pretende mostrar una revisión de literatura basada en fuentes confiables, acerca de la modelación de las variaciones de flujo de una cuenca hidrológica generadas por los diferentes usos del suelo, mediante el uso de modelos mecanísticos y de minería de datos, que permitan conocer el estado de la cuenca y a partir de ello, sea información útil para la toma de decisiones, análisis de riesgos y definición de objetivos y metas en planes, programas y proyectos relacionados con la conservación de cuencas hidrológicas o el ambiente en general.

2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Con el paso del tiempo, el estado y la calidad de las cuencas hídricas se deterioran por consecuencia de fuentes contaminantes, como el escurrimiento de agua en zonas de producción ganadera y agrícola, los vertimientos de aguas residuales industriales, domésticas y de minerías; según el Estudio Nacional de Agua (ENA), más de 200 ton/año de mercurio son vertidas y transportados en los ríos del país (OEI, 2017). Por otro lado, la agricultura es conocida como una de las actividades productivas que depende en gran medida de los

recursos naturales como el agua y suelo, siendo estos la materia prima para la producción de alimentos. En Colombia, la demanda hídrica total para el 2012, alcanzó 35.987,1 millones de m3, donde el sector agrícola lideró en demanda con 16.760,3 millones de m3, lo que representó el 46,6% de la demanda total. Para los sectores de energía, pecuario y doméstico, se registró una demanda de 7.738,6 millones de m3 (21,5%), 3.049,4 m3 (8,5%) y 2.963,4 m3 (8,2%) respectivamente (SIAC, 2019). Considerando que dichas actividades se desarrollan cada vez con mayor frecuencia, el alto nivel de amenaza presentado para las cuencas hídricas y la ineficiencia de algunas medidas de mitigación de la contaminación de fuentes superficiales, surge la necesidad del uso de herramientas que permitan comprender la magnitud de la problemática para la toma de decisiones. Entre las herramientas que se disponen están los modelos de tipo mecanísticos y de minería de datos que de acuerdo con la literatura revisada se utiliza para la modelación de este tipo en cuencas hídricas, el modelo SWAT (herramienta de evaluación de suelos y agua), Grid-Based Xinanjang GXAJ (utilizado para la generación de la estimación de lluvia), WAELM model (herramienta que mejora la previsibilidad del caudal del río). Es claro que las actividades agrícolas en su gran mayoría generan un alto impacto negativo sobre las cuencas hídricas. Las escorrentías de cualquier tipo de cultivo, dirigidas hacia el agua superficial o subterránea contiene nutrientes (nitrógeno, fósforo), fertilizantes, pesticidas, metales, patógenos, sedimentos, material orgánico y elementos trazas que alteran las propiedades fisicoquímicas del agua lo que provee el deterioro de la misma. Se debe considerar también, que el incremento poblacional, la expansión de cultivos y la generación de nuevos productos generan un incremento en la demanda de agua y las altas tasas de deforestación en cuencas por el uso intensivo del suelo (OEI, 2017). Finalmente, se tiene un amplio bagaje acerca de las dificultades que están sufriendo los ríos, por lo tanto, es importante conocer las variaciones del cauce de ríos en el tiempo a partir de las actividades antrópicas o causas naturales; para ello se debe contar con métodos técnicos enfocados en el pronóstico del comportamiento de los efluentes principalmente relacionado con la agricultura siendo esta la actividad que demanda más agua respecto otras actividades. Por lo anterior surge una oportunidad para ampliar el conocimiento académico en la asignatura modelación ambiental y responder al interrogante ¿Cuál sería la metodología empleada para realizar la modelación y de las variaciones en el flujo y pronóstico de la disponibilidad de agua en una cuenca hidrológica que está siendo afectada por las actividades agrícolas de la región? 3. DESCRIPCIÓN DE ASPECTOS BÁSICOS La cuenca hidrográfica, se considera como un sistema complejo compuesto por las interacciones entre elementos biofísico, demográficos, económicos, sociales y culturales. Mediante el diagnóstico de estos elementos se logra un mejor conocimiento de la estructura y utilización de la cuenca hidrográfica (Global Water Pertnership, 2011). Elementos que varían en función de la zona de la cuenca y al nivel de intervención del factor humano y se describen de la siguiente manera: Elementos biofísicos: En una cuenca hidrográfica interactúan ecosistemas naturales, los cuales se constituyen por elementos como, el clima, los suelos, bosques, vegetación, fauna, red hidrográfica, usos del suelo o elementos cultivados por el hombre y geológicos que proveen el estado y la conformación de la oferta bienes y servicios de la misma. En particular, el clima y el relieve son características que permiten el cambio del caudal del río.

De la variación de la vegetación en las riberas de la fuente superficial condiciona el caudal del río, debido a que las plantas absorben agua y evita problemas de erosión, lo cual es importante para evitar fenómenos de inundaciones. Los tipos de suelo condiciona la permeabilidad de la cuenca y el intercambio de agua subterránea. Por último, las actividades humanas o diferentes usos del suelo, alteran la topografía de la cuenca, sus características físicas y químicas, lo cual provoca fuertes impactos en el río. Elementos Económico: Comprende las diferentes técnicas para producir bienes y servicios a la población mediante la explotación o transformación de recursos naturales que provee la cuenca como, la agricultura e industrialización. Elementos socioculturales: En el subsistema social se involucra las actividades antropogénicas, la distribución y organización de la población, aspectos demográficos, institucional, acceso de servicios básicos, que impactan sobre la cuenca; incluyendo, culturas, tradicionales y normas de conducta de las poblaciones. Por otro lado, la demanda social de bienes y servicios ambientales u oferta ambiental comprendida por la cuenca, se determina por las diferentes actividades que el hombre desarrolla en la misma; lo que proporciona importante información para el aprovechamiento de la cuenca, como se muestra a continuación: Flujo hidrológico: Usos directos en actividades como la agricultura, industria y agua potable. Dilución de contaminantes, generación de electricidad, regulación de caudales, control de inundaciones, transporte de sedimentos y recarga de acuíferos. Ciclos bioquímicos: Almacenamiento y liberación de sedimentos, producción de nutrientes, detoxificación y absorción de contaminantes. Producción biológica: Creación y conservación de hábitat, mantenimiento de la vida silvestre, fertilización y formación de suelos. Descomposición: procesamiento de la materia orgánica, procesamiento de desechos humanos. 3.1. FUNDAMENTOS DE LOS TIPOS DE MODELACIÓN DISPONIBLES PARA REPRESENTACIÓN DE LA MODELACIÓN DE LAS VARIACIONES DE FLUJO DE UNA CUENCA HIDROLÓGICA A CAUSA DE LA AGRICULTURA. Los tipos de modelación existentes para representar el fenómeno ambiental que se está tratando, entre los que se encuentran: 1. Modelos mecanísticos ●

HYDRUS-1D: Es un software usado para analizar fuentes hídricas y el movimiento de solutos en medios porosos insaturados, parcialmente saturados o totalmente saturados. Implementa una técnica de estimación Marquardt-Levenberg, con lo que realiza el ajuste de curvas de mínimos cuadrados. Este procedimiento, permite estimar datos de infiltración y flujos de salida, a partir de datos de entrada como, cabezales de presión, concentraciones o datos de caudal (USDA, 2018).

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SWAT: este modelo fue desarrollado para predecir el impacto de las prácticas de manejo del suelo en la generación de agua, sedimentos y producción de sustancias agrícolas químicas, en cuencas grandes y complejas con variedad de suelos, es un modelo continuo de tiempo que requiere información específica sobre clima, tiempo, propiedades del suelo, topografía, vegetación y prácticas de manejo de tierra (Uribe, 2010, p.3).

2. Modelo de minería de datos ●

Grid-Xinanjiang (GXAJ): Es un modelo basado en la información topográfica de las celdas de la cuadrícula y la capacidad de almacenamiento de humedad del suelo, para simular los procesos hidrológicos dentro de las cuencas hidrográficas. Por ende, los suelos, la cubierta vegetal, el clima, la evapotranspiración, temperatura, radiación solar, velocidad del viento y otras características distribuidas espacialmente afectan el agua superficial y subsuperficial en las laderas de la cuenca. GXAJ convierte los datos de precipitación a la corriente del río para el monitoreo de sequía hidrológica, dividiendo la cuenca en varias celdas de cuadrícula y la escorrentía se generaría en cada celda, finalmente se enrutaría a través de la red del canal de rio. Debido a es dificil estimar los parámetros del modelo, es necesario obtener las estimaciones de los parámetros a priori del modelo GXAJ, utilizando estadísticas a través de cinco índices, entre ellos, la severidad de sequía de Palmer (PDSI), índice de precipitación estandarizado (SPI), índice de evapotranspiración de la precipitación estandarizado (SPEL), índice de escorrentía estandarizado (SRI) y índice de flujo de corriente. Las variables requeridas por este método incluyen el índice de topografía, la capacidad saturada, la capacidad de agua del campo, el punto de debilitamiento del suelo, el índice de área de la hoja y la altura de la vegetación (Chengguang, L. et al, 2019).

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WA-ELM: Es un nuevo modelo de Redes Neuronales Artificiales (RNA’s), complementario de inteligencia de datos (DI) por sus siglas wavelet-extreme learning machine (WA-ELM) que es utilizado para pronosticar el flujo del río en entornos secos o semiáridos, inundaciones o sequias y actividades agrícolas, la planeación de estructuras hidráulicas. Se hace uso de múltiples métricas estadísticas y visualización gráfica. Se complementa con el modelo ELM, el cual tiene la función de corroborar los resultados y la eficiencia de predicción. Ambos modelos requieren datos de entrada históricos para establecer las relaciones que existen entre las variables del predictor y los valores simulados. 4. REFERENCIAS

Rojas, et al. (2019). Análisis comparativo de modelos e instrumentos de gestión integrada del recurso hídrico en Suramérica: los casos de Brasil y Colombia. 2019, de Revista Ambiagua Sitio web: http://www.scielo.br/pdf/ambiagua/v8n1/07.pdf El Heraldo. (2015). La agricultura consume el 70% del agua en el mundo. 2019, de El Heraldo Sitio web: https://www.elheraldo.co/economia/la-agricultura-consume-el -70-delagua-en-el-mundo-188535 SIAC (2012). Demanda de agua. Recuperado de : http://www.siac.gov.co/demandaagua OEI, 2017. El agua y la huella hídrica en Colombia. Recuperado de: https://www.oei.es/historico/divulgacioncientifica/?El-agua-y-la-huella-hidrica-en-Colombi

Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible (2014). Código Nacional de Recursos Naturales Renovables y de Protección al Medio Ambiente, Decreto Ley 2811 de 1974 .Recuperado de: [https://parquearvi.org/wp-content/uploads/2016/11/Decreto-Ley-2811-de1974.pdf] FAO. (2019).Gestión de cuencas hidrográficas, de Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura Sitio web: [http://www.fao.org/sustainable-forestmanagement/toolbox/modules/watershed-management/basic-knowledge/es/] Uribe, N. (2010). Conceptos básicos y guía rápida para el usuario: Versión SWAT2005. Pág. 1-47. [pdf]. Recuperado de: https://swat.tamu.edu/media/46967/swat2005-tutorialspanish.pdf USDA (2018). Modelo HYDRUS-1D, del Departamento de agricultura de los Estados Unidos. Recuperado de: https://www.ars.usda.gov/pacific-west-area/riverside-ca/us-salinitylaboratory/docs/hydrus-1d-model/ Global Water Pertnership (2011). ¿Que es una cuenca hidrica de la Sociedad Geográfica de Lima. Recuperado de: https://www.gwp.org/globalassets/global/gwpsam_files/publicaciones/varios/cuenca_hidrologica.pdf Chengguang Lai, Ruida Zhong, Zhaoli Wang, Xiaoqing Wu, Xiaohong Chen, Peng Wang y Yanqing Lian. (2019). Monitoring hydrological drought using long-term satellite-based precipitation data. 2019, de ScienceDirect Sitio web: https://ezproxy.uao.edu.co:2079/science/article/pii/S0048969718332091