INTRODUCCIÓN

En comparación con sus contrapartes de climas templados, existe una falta generalizada de conocimiento sobre la hidrología de regiones tropicales (Muñoz-Villers y McDonnell, 2013; Elsenbeer y Vertessy, 2000). Esto a pesar de que muchas de las cuencas tropicales sostienen un gran porcentaje de la población humana y de las poblaciones de flora y fauna. Se conoce poca información sobre el comportamiento hidrológico de las cuencas de la región costa del Ecuador, que se encuentra en una zona tropical. Entender el comportamiento actual de las cuencas y sus flujos es un paso hacia actividades de conservación y protección.

Es de particular interés entender el comportamiento de las cuencas que alimentan los embalses. Esto con el objetivo de conservar los recursos hídricos que los sustentan. Ante un constante cambio en el uso de la tierra en regiones tropicales, se puede esperar también cambios en la generación de escorrentías y el comportamiento de los flujos y cuencas (Bruijnzeel, 1990), lo cual repercutiría en la operación de los embalses. Por otra parte, tal como se da a nivel mundial (Gleick, 1998), se busca en Manabí aprovechar de forma sostenible el agua, no solo para beneficio de la población, sino también para conservar el equilibrio ecológico de los cursos de agua (Richter et al., 2003).

Existen algunos desafíos para caracterizar las cuencas y flujos en la región. El primero es la falta de una red amplia de monitoreo que brinde datos hidrológicos de alta resolución temporal. Por otra parte, la región es climática e hidrológicamente diversa (Giler-Ormaza, 2018). La variación climática de la región costera ecuatoriana presenta retos y oportunidades, pero también grandes brechas de conocimiento. Se cree que no es posible la aplicación de hallazgos en otras áreas del mundo, con similares características climáticas, debido a diferencias en cobertura vegetal natural. Adicionalmente, se reconoce que los procesos hidrológicos en regiones húmedas tropicales son más variables debido a mayores flujos de energía (Wohl et al., 2012), lo que añadiría dificultad para caracterizar las cuencas y flujos y para generalizar o extrapolar resultados de un lugar a otro.

Los caudales de los ríos pueden brindar información acerca del comportamiento hidrológico de las cuencas. Sin embargo, en muchas regiones tropicales en vías de desarrollo, como es el caso de Ecuador,, únicamente se tiene información disponible para flujos de los ríos principales. Adicionalmente, se publican solo resúmenes básicos de datos de caudal, entre ellos: caudal medio diario (QDprom), caudal mediano (Q50), promedio mensual (Qmes) y sus magnitudes máximas (Qmax), medias y mínimas (Qmin) (p.ej. ver INAMHI, n.d.). La información más detallada sobre las características de los flujos no se encuentra disponible de forma pública, lo que limita las posibilidades de entender las variaciones sub-anuales e interanuales de los recursos hídricos disponibles, así como del comportamiento de las cuencas. Adicionalmente, estos problemas afectan el manejo informado de los cauces y cuencas.

Los índices hidrológicos permiten conocer el comportamiento de los flujos y de las cuencas. Varios estudios utilizan índices como evidencia de los efectos que los cambios en la hidrología pueden tener sobre los flujos. Actualmente, se tiene a disposición una variedad de índices que se pueden aplicar. Sin embargo, en ocasiones, existe redundancia en la aplicación de índices (Olden y Poff, 2003) por lo que estos se deben seleccionar cuidadosamente con miras a mostrar diferentes aspectos de los fenómenos a estudiar. A conocimiento de los autores, en la región costera del Ecuador no se ha reportado un análisis de flujos utilizando índices diferentes a Qmax, Qmin, Q50, QDprom y Qmes.

Los índices hidrológicos ya se han aplicado en regiones tropicales como lo es la región costera del Ecuador. Así por ejemplo, Guzha et al. (2014) emplearon, en la amazonía brasileña, análisis de índices como percentiles de flujos altos y bajos, así como un análisis de curvas de duración de caudales (FDC). Utilizando dos cuencas, una mayormente con cobertura de bosque y otra con cobertura pasto, encontraron que el pasto libera hasta en un 50% más de caudales durante la temporada de flujos altos con respecto al bosque. Por ejemplo, una escorrentía de 10 mm por día ocurre en el pasto durante el 30% del tiempo, mientras que en el bosque, ocurre solo un 10% del tiempo. No obstante encontraron que en temporadas de flujo base no hallaron mayores diferencias en los caudales.

El objetivo del presente trabajo es analizar el comportamiento hidrológico de cuencas hidrográficas tropicales utilizando índices. Para lograrlo, primero se seleccionan microcuencas de relevancia que alimentan a dos de los principales embalses de la región. Luego se procede a una recolección de caudal en alta resolución temporal. Se seleccionan índices hidrológicos relevantes y, finalmente, se aplican los índices para los datos recolectados. Debido a que la hidrología se ubica en el amplio campo del conocimiento de la geografía física (Dartmouth College, s.f.), se espera que la presente investigación sea también un aporte desde el punto de vista geográfico, en particular ilustrando el uso de herramientas computacionales y los hallazgos del comportamiento de cuencas hidrográficas de diferentes partes del globo.

MÉTODOS

Área de estudio

Las microcuencas seleccionadas se ubican en la costa ecuatoriana, en la provincia de Manabí, donde se encuentran 4 embalses de importancia mayor. Tres de ellos interconectados. Estos reservorios son independientes de los deshielos de Los Andes, y proveen de agua para múltiples usos a una población mayor a 800 000 personas distribuida en 12 cantones (OAS et al., 1991). Para seleccionar las microcuencas (ver diagrama en Figura 1), se utilizó los siguientes criterios: a) Ser aportantes a los principales embalses de los cuales la provincia se sirve; b) tener un caudal continuo todo el año (río perenne); c) ser accesible –cerca de una carretera o vía, d) tener un área menor a 10 km.. En la literatura se encuentra que los índices hidrológicos se aplican a cuencas de diferentes tamaños, por ejemplo: desde 32 hectáreas (Sikka et al., 2003) hasta 1 millón de km. (Gao et al., 2012). Sin embargo, se prefirió cuencas pequeñas que presenten características físicas similares entre ellas.

Se utilizó Sistemas de Información Geográfica (GIS), visitas de campo, modelos digitales de elevación (DEM) e imágenes satelitales con resolución de pixel de 30m x 30m (USGS & SRTM, n.d.) para generar las áreas de las cuencas aguas arriba del punto de interés (ver Figura 2). Se ha preferido aquí QuantumGIS (QGIS, 2020) para los análisis donde se utilizaron varios algoritmos. Para rellenar los vacíos en el DEM se empleó el Fill Sinks (Wang y Liu, 2006), luego se generó, a partir del DEM, una red hídrica con el método de Strahler (SAGA-GIS) y con sus números de orden correspondientes. Mediante visitas de campo se georeferenciaron los puntos para ubicar los aforadores de caudal y luego se cargaron al SIG. Tomando esos puntos de aforo como referencia, se aplicó el método Upslope Area con la opción Deterministic 8 (O’Callaghan & Mark, 1984) para generar las áreas de las cuencas aguas arriba del punto de interés. Con eso se pudo tener capas o shapefiles de las cuencas de estudio.

Debido a la marcada estacionalidad en las precipitaciones (Pourrut, 1994), y a la cobertura limitada de la red de vías, pocas microcuencas cumplieron los requisitos. Se seleccionó dos microcuencas afluentes al embalse La Esperanza – La Mina (LM) y Rancho Palo (RP) cerca del sitio Membrillo, y una microcuenca aportante al embalse Poza Honda – Las Flores, cerca de San Sebastián (SS) (ver Figura 3). Se realizó una evaluación de las características físicas de las cuencas seleccionadas para considerar la posible influencia de estas características sobre el comportamiento del flujo.

Según los mapas generados con datos de MAGAP-MAE (2015) no existen grandes diferencias en el uso de la tierra de las tres microcuencas. En general, son áreas deforestadas con actividades agrícolas y ganaderas. Así presentan un alto porcentaje de cobertura de pastizales (76.3% LM, 69.3% RP, 55% SS) y un bajo porcentaje de cobertura con bosque nativo (12% LM, 18%RP, 4.1% SS) (Donoso y Zambrano, 2018; Molina y Valladares, 2018; Rodríguez y Santos, 2018). El bosque nativo se encuentra entre las categorías Bosque Siempreverde Piemontano y Bosque de Neblina Montano. En el caso del Bosque Piemontano cuenta con especies de alrededor de 30 metros de altura que pueden incluir las familias Myristicaceae, Lauraceae, Moraceae y Euphorbiaceae, así como herbáceas de familias Arecaceae, Cyclanthaceae, Piperaceae y helechos (Sierra, 1999). Por otra parte, entre los cultivos se cuenta con cacao y mandarina.

Las principales características de las cuencas estudiadas se resumen en la Tabla 1.

Se recolectó datos por un periodo promedio de 5 meses, incluyendo dos meses de la temporada lluviosa y tres meses de la temporada seca. Se utilizó un transductor de presión tipo HOBO U20L Water Level Data Logger a la salida de cada microcuenca. Este dispositivo permitió obtener datos en alta resolución temporal –cada 15 minutos de presión y, por lo consiguiente, calados. Los calados se transformaron luego a caudales utilizando una curva de descarga vs calado, siguiendo las recomendaciones de Lang et al. (2010) donde fue posible. Por ejemplo, en el sitio SS, el transductor se ubica justo aguas arriba de una caída natural de agua. Otra recomendación seguida es que, para ríos angostos, en la sección de aforo, una variación de 1cm en el calado no debería representar una variación en el caudal mayor a 5% (Lang et al., 2010). Particular atención se prestó al momento de las mediciones de caudal evitando el flujo no permanente. Esto debido a que, en condiciones de flujo no permanente, un mismo calado puede representar dos caudales diferentes: uno el segmento de aumento del Hidrograma y un caudal en la curva de recesión del Hidrograma (Baldassarre y Montanari, 2009).

La curva de descarga se construyó empleando el método de velocidad por área para las mediciones de caudal, y mediante simulaciones hidrodinámicas en una dimensión (1D). Las velocidades se obtuvieron con un molinete que relaciona el número de revoluciones de la hélice con la rapidez del flujo; mientras que varias secciones transversales del tramo de cada río (cada 20 metros) fueron obtenidas con una estación total tipo SOKKIA SET520k. Se ejecutaron varias simulaciones hidráulicas en 1D con el software HEC-RAS (Brunner, 2016). Según Dose et al. (2002) un modelado hidráulico mejora la extrapolación de curvas de descargas ya que toman en cuenta las condiciones aguas abajo de la estación de aforo. Para las simulaciones, números de rugosidad de Manning fueron seleccionados de las tablas de Arcement y Schneider (1989). Las curvas de duración de caudales (FDC, por sus siglas en inglés) fueron elaboradas siguiendo el procedimiento en Oregon State University (2005).

Índices hidrológicos utilizados

Diferentes índices para diferentes propósitos se han presentado en la literatura. Por ejemplo, se ha utilizado coeficientes de variación (QVAR o CV) con fines de estudiar regímenes de flujo en diversas partes del globo. Se ha encontrado en la literatura valores de QVAR entre 0,2 para regiones húmedas y valores mayores a 1 para regiones semi-áridas (Thoms y Sheldon, 2000). Otros índices se basan en la curva de duración de caudales (FDC). La pendiente entre el 33% y el 66% de la curva de duración de caudales (FDC) se ha utilizado anteriormente como un indicador de regulación hidrológica (Olden y Poff, 2003). Una pendiente pronunciada se asocia con una respuesta rápida de la cuenca a la precipitación, mientras que una curva con pendiente suave representa un comportamiento amortiguado y una capacidad de almacenamiento mayor (Ochoa-Tocachi et al., 2016).

En ocasiones se usan percentiles de flujo en la FDC o múltiplos de algún flujo en particular en la FDC. Archer y Newson (2002) utilizaron el flujo mediano (M) como referencia. En su estudio se midió el número de pulsos y las duraciones totales de estos por sobre varios umbrales. Entre ellos el umbral 5M (5 veces el flujo mediano) y 10M (10 veces el flujo mediano). Para flujos bajos, Sikka et al. (2003) utilizó el índice de flujos bajos (LFI) seleccionando el percentil 95% como umbral. Con dicho umbral, se obtiene el flujo que se excede el 95% del tiempo. Por otro lado, en Ochoa-Tocachi et al. (2016), la duración promedio de los pulsos bajos se obtuvo a partir de los flujos que se exceden con una probabilidad del 75% (DLQ75), mientras que utilizaron las duraciones promedio de los pulsos altos midiendo los flujos que se exceden con una probabilidad menor al 25% (DHQ25). Huh et al. (2005) utilizaron un enfoque similar para su estudio. De hecho, (Richter et al., 1996; Richter et al., 1997 y Gao et al., 2012) indican que índices como el DHQ25 y el DLQ75 están dentro de los Índices de Alteración Hidrológica (IHA) y el Enfoque de Rango de Variabilidad (RVA), lo cual los ubica como los más utilizados para caracterizar variación en el flujo e inferir información sobre el comportamiento de las cuencas.

Basados en la revisión de literatura, tratando de evitar la redundancia en el uso de índices (Olden y Poff, 2003) y brindando preferencia a índices IHA e índices RVA, para el presente estudio nos enfocamos en los siguientes índices: variación diaria del flujo (QVAR), pendiente de la curva de duración de caudales (R2FDC), el Índice de Regulación Hidrológica (IRH), duración promedio de los pulsos bajos (DLQ75) y duración promedio de los pulsos altos (DHQ25). La Tabla 2 muestra la definición de cada índice junto con su respectiva fórmula y unidades:

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Los caudales en m.s^-1 se muestran a continuación. Q50 de las microcuencas son 0,065 (LM); 0,079 (RP) y 0,340 (SS). El caudal umbral para pulsos bajos Q75 es 0,048 (LM); 0,058 (RP) y 0,250 (SS); mientras que el caudal umbral para flujos altos Q25 es 0,145 (LM); 0,120 (RP) y 0,430 (SS). Según Trancoso et al. (2016) una mayor disponibilidad de agua subterránea conduce a un aumento en la contribución del flujo base que estabiliza la respuesta del flujo y aproxima los valores de los flujos altos y bajos hacia el flujo medio, llevando de esa forma el flujo hacia una condición más perenne. Por lo tanto, las aguas subterráneas, mismas que se cree tienen influencia en nuestras cuencas de estudio, serían un mecanismo hidrológico dominante que puede controlar los índices de caudales relacionados a los caudales altos y bajos.

Los caudales se adaptan reconociendo las limitaciones existentes en cuanto a logística y recursos disponibles. Sin embargo, una potencial fuente de errores que aquí se ha evitado es la presencia de mediciones en condiciones de flujo no permanente (FNP) (Chow, 1959) que, de realizarse, podrían producir dos caudales diferentes para un mismo calado (Baldassarre y Montanari, 2009) dependiendo de si se está aforando en el segmento de aumento o en la curva de recesión del hidrograma. Sin embargo, no trabajar con FNP limitó los aforos y se requirió mayor extrapolación en interpolación de la curva de descarga. En cuanto al ajuste de la curva de descarga, para SS la curva es de tipo potencial; sin embargo, para LM y RP la mejor curva de descarga es del tipo polinómica, la cual, según Baldassarre y Montanari (2009) podría proveer un mejor ajuste y una mejor representación que las curvas de tipo potencial.

Los resultados de los índices se resumen en la Tabla 3.

En cuanto a la variación de caudales, el coeficiente de variación (QVAR) para las tres microcuencas resultó en 1,17 (LM), 0,8 (RP), 0,45 (SS). Según Ochoa-Tocachi et al. (2016) valores anuales menores a 1.1 indicarían una baja variabilidad del flujo. Por otra parte, Thoms y Sheldon (2000) nos indican que valores anuales más bajos se han encontrado para regiones húmedas en Europa (0,2), Asia (0,2) y Norteamérica (0,3). Kuenz et al. ( 2017) reportan para Europa valores que están mayormente entre cero y 1,3 con valores superiores a 1,5 en regiones mediterráneas sujetas a mayor estrés hídrico. Por otra parte, valores anuales promedios en regiones áridas o semi-áridas están alrededor del 0,99. En el caso del sur de Australia, con condiciones semi-áridas, se reportan valores de coeficiente de variación particularmente altos de 2,6 y 3,2 para cuencas con áreas de drenaje de 48000 km. y 650000 km., produciendo caudales medios entre 19 m.s^-1 y 124 m.s^-1 respectivamente (Thoms y Sheldon, 2000). Las microcuencas aquí estudiadas presentarían valores relativamente altos en comparación con sus contrapartes de otras regiones húmedas pero en un rango aceptable. Esto podría responder a la marcada estacionalidad de la precipitación en Manabí y a cambios en el uso de la tierra.

Analizando la capacidad de regulación hídrica de las cuencas, las tres microcuencas tienen un índice de regulación hidrológica (IHR) menor a 0,5 (0,18 LM, 0,26 RP, 0,34 SS) lo cual indicaría que su capacidad de regulación hidrológica no es alta (Ochoa-Tocachi et al., 2016). Sin embargo, y en contraste, la pendiente en el tercio medio de la FDC (ver Figura 2) es baja (R2FDC > -0,7) para las tres microcuencas (-0,69 LM, -0,60 RP, -0,495 SS), lo que indicaría una buena capacidad de regulación hidrológica (Ochoa-Tocachi et al., 2016). Como referencia, valores de R2FDC alrededor de -2 se ha encontrado para ecosistemas de Puna húmeda, mientras que valores R2FDC alrededor de -3 se encontró para Puna Seca. En el este de Australia, en cuencas que van desde climas tropicales hasta climas mediterráneos, se ha encontrado que cuencas más empinadas tienen valores altos de pendiente de la FDC, algunos mayores a 6 y que dichas cuencas están caracterizadas por mayores influencias de la lluvia y el dominio del flujo de retorno en sus hidrogramas; indicando que el agua no permanece almacenada por mucho tiempo (Trancoso et al., 2016). Los resultados de R2FDC entre -0,5 y -0,7 son similares a la de los páramos ecuatorianos y del norte del Perú.

Según Monsalve (1995) los extremos de las FDC pueden brindar cierta información sobre las cuencas(Ver Figura 4). Enfocándonos en la parte inferior derecha de la FDC (parte baja) se observa que las tres microcuencas tienen curvas del tipo 1 y 2, lo cual es un indicador de que i) aguas subterráneas aportan caudales a la cuenca; ii) la permeabilidad es regular o mala; y iii) una capacidad de retención de agua de regular a buena. En cuanto a la parte superior izquierda de la FDC (parte alta), esta se clasifica como Curva tipo 1 para las tres microcuencas, lo que es un indicador de una cuenca pequeña en zona montañosa donde la lluvia tiene lugar en pocos meses del año. Monsalve (1995) indica que cuencas con FDC de curva tipo 1 en su parte alta “podrían tener alta capacidad de drenaje y poca capacidad de retenerel agua ” p.281.

Las duraciones promedio de pulsos altos y bajos, encontradas en nuestro estudio, están dentro de los rangos reportados en la literatura. Nótese, sin embargo, que estos rangos son amplios. En el estudio de Archer y Newson (2002) para una microcuenca templada (1,5km.), se encuentran duraciones promedio de pulsos que son menores a 35 horas (1,46 días) para flujos 3M (3 veces el valor mediano). Mientras que para flujos 10M, las duraciones promedio no exceden las 12 horas. Huh et al. (2005) en Norteamérica, tomando datos de diferentes cuencas, encontraron duraciones promedio entre 3 y 22 días para pulsos altos. Para pulsos bajos, se encontraron duraciones promedio entre 0 y 75 días. De forma similar, Richter et al. (1996) presentan duraciones de pulsos entre 3 y 7 días para un río con percentiles de caudal bajo y alto igual a 97 m.s^-1 y 258 m.s^-1 respectivamente (rango usual de caudales). Finalmente, para un río de 1 millón de km. de área aportante Gao et al. (2012) las duraciones van de 20 a 50 días. En nuestras tres cuencas las duraciones de pulsos altos y bajos están entre 0.35 y 2.44 días, un reflejo de cuencas pequeñas y con cierta similitud a los hallazgos de Archer y Newson (2002).

Los valores de los índices son más similares entre LM y RP (aportantes al embalse La Esperanza). SS (aportante a Poza Honda) presenta valores que son un tanto diferentes a LM Y RP. Esta similitud de resultados podría estar relacionada con las características físicas de las microcuencas, en particular, las pendientes y la forma de las cuencas. Las pendientes son más altas en LM y RP; y la morfología se clasifica como CO para las aportantes al embalse La Esperanza y SO para la aportante al embalse Poza Honda. Las FDC son también más similares entre LM y RP.

Se debe considerar que el periodo de tiempo de nuestro análisis es sub-anual; en promedio 5 meses, tomando 2 meses de la temporada lluviosa y 3 meses de la temporada seca. Este periodo es menor al usual (1 año) reportado mayormente en la literatura. Sin embargo, los 5 meses representan las dos únicas temporadas existentes (seca y lluviosa) en la región costera del Ecuador. Por esto creemos que los resultados aquí obtenidos pueden ser útiles como una aproximación a los resultados anuales que, especulamos, no son muy diferentes. No obstante se recomienda que se continúe este análisis para periodos de 12 meses durante varios años. De esa forma se podría tener una mejor idea del comportamiento anual de los caudales del área de estudio.

Conclusiones

El objetivo del presente trabajo es analizar el comportamiento hidrológico de cuencas hidrográficas tropicales utilizando índices. Para evitar la redundancia en el uso de índices y brindando preferencia a Indicadores de Alteración Hidrológica (IHA) y al Enfoque de Rango de Variabilidad (RVA), aquí nos hemos enfocado en los índices de variación diaria del flujo (QVAR), pendiente de la curva de duración de caudales (R2FDC), el Índice de Regulación Hidrológica (IRH), duración promedio de los pulsos bajos (DLQ75) y duración promedio de los pulsos altos (DHQ25). Se seleccionaron 3 microcuencas con áreas menores a 9 km. en la costa del Ecuador y se registraron sus caudales en alta resolución temporal, durante un periodo de tiempo que abarcó las temporadas húmeda y seca de un año.

Los resultados de QVAR indicarían una variabilidad del flujo relativamente baja acorde con otras regiones semi-húmedas. Se obtuvo valores de IHR que señalan una capacidad de regulación hidrológica que no es alta; pero en contraste, R2FDC es baja, lo que indica una buena capacidad de regulación hidrológica. Las DLQ75 y DHQ25 indican magnitudes de flujo rápidamente cambiantes (flashy) a moderadamente cambiantes. Se recomienda que se continúe este análisis por periodos de varios años. De esa forma se podría tener una mejor idea del comportamiento anual de las cuencas. Mirando más allá, creemos que los resultados aquí obtenidos pueden servir como una línea base para evaluar futuros efectos de los cambios en el uso de la tierra. A conocimiento de los autores, esta es la primera vez que los índices seleccionados se aplican para la región costera del Ecuador.

Contribución de los autores

AGO lideró la escritura y desarrollo del manuscrito, el diseño de investigación y la recolección de datos. XZ, LC, DA, JPG contribuyeron con la recolección de datos. Todos los autores contribuyeron con el procesamiento de datos. AGO, JRA, JF y MC lideraron la depuración de datos. Todos los autores han contribuido al desarrollo de ideas y al proceso de reflexión y análisis.

Agradecimientos

Quisiéramos agradecer a las personas que colaboraron con datos y trabajo de campo; en particular a Luis Zambrano, Miguel Molina, Jordano Valladares, Verny Santos, Miller Rodríguez y Sergio Donoso.

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