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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
Facultad de Ingeniería Civil y Ambiental
E-1/1
PLAN DEL PROYECTO DE TITULACIÓN
Versión provisional 25-feb-2010
PROPUESTO POR:
Marlon Fabricio Calispa Aguilar
AUSPICIADO POR:
EPN: R. Galarraga, M. Villacís.
IRD: P. J C. Pouget
AREA DEL TEMA:
Modelación hidrológica de glaciares y
páramos.
FECHA: 29 de enero de 2010.
1) Tema o Título del Proyecto
Modelación hidrológica de glaciares y páramos en relación con la oferta de agua de
Quito - Pruebas de simulación en las cuencas del sistema Mica del volcán Antisana
2) Planteamiento del Problema
La hoya de Quito es una de las zonas más densamente pobladas de los Andes. La
población del Distrito Metropolitano de Quito, que tiene alrededor de 2,5 millones de
habitantes en 2007, se ha multiplicado por 7 desde 1950 y sigue creciendo a un
ritmo rápido. El desequilibrio entre la oferta y la demanda ha llevado a grandes
transferencias desde las cuencas de alta montaña (con altura superior a 3500 m),
incluyendo las cuencas amazónicas (Ayabaca, 2006; Pouget et al., 2008). Estas
fuentes de altura se constituyen principalmente de páramos y se alimentan
parcialmente por aportes glaciares. Así, las cuencas del sistema Mica que alimenta
el sur de Quito desde el año 2000 se componen de más del 90% de los aportes del
páramo y de 2.5% de aportes glaciares en 2006. Pero estos aportes glaciares
podrían desaparecer en un futuro cercano, debido a los efectos del cambio climático
(Villacís, 2008.(b)). Estos efectos se manifestarán como una deglaciación acelerada
a nivel global, pero con mayor intensidad en Ecuador y la región (Arnaud, 2001,
Bradley et al, 2006).
Además de la componente glaciar, en las subcuencas de altura el agua tiene su
origen en las precipitaciones de baja intensidad pero de alta frecuencia que se dan
sobre el páramo, que es un ecosistema único de altura que cumple con funciones de
regulación del ciclo hidrológico almacenando y amortiguando el efecto de la lluvia
mediante una respuesta hidrológica mixta, debido a una conjunción de
características físicas que le dan condiciones excepcionales de regulación. A su vez
estos ecosistemas son muy frágiles y sensibles ante cambios producidos por
actividades humanas, degradando las características del suelo y afectando su
capacidad reguladora (Buytaert et al, 2004(a), 2004 (b) 2005, Medina et al, 2001).
Se prevén cambios en el clima (Bradley et al, 2006) y se tienen dudas sobre el
comportamiento de las cuencas de alta montaña (Buytaert et al, 2008), para reducir
los niveles de incertidumbre se deben proponer – adaptar modelos que permitan
reproducir la dinámica estacional de los escurrimientos de los páramos y la dinámica
(retrocesos y avances) plurianual de la superficie de los glaciares para tener la
capacidad de planificación de recursos hídricos garantizando el abastecimiento, ante
escenarios de cambio climático que tendrían afectaciones sobre los recursos
hídricos de altura.
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3) Formulación y Sistematización del Problema
¿Existe información suficiente en el área de estudio para realizar la modelación
planteada?
¿Será viable la aplicación del modelo glaciar desarrollado en Perú en las
subcuencas de estudio?
¿El modelo desarrollado reproducirá el retroceso glaciar observado en el glaciar los
Crespos?
¿Se puede modelar la parte no glaciar de las subcuencas de estudio con el modelo
hidrológico de humedad del suelo de WEAP?
¿El modelo planteado será suficientemente robusto para probar hipótesis sobre
cambios en la temperatura y precipitación en el marco del cambio climático?
4) Objetivos de la Investigación
Objetivo General: Modelar las cuencas aportantes al embalse de La Mica del
volcán Antisana utilizando la herramienta WEAP y las propuestas de
modelación glaciar realizadas por el IRD y el SEI en Perú a un paso de tiempo
mensual
Objetivos Específicos
1. Definir y adaptar un modelo glaciar de la cuenca Los Crespos.
2. Calibrar el modelo lluvia-caudal “humedad del suelo” de WEAP sobre la
parte de páramos de la cuenca Humboldt.
3. Simular los escurrimientos de las cuencas del sistema Mica-Quito-Sur.
4. Comparar los resultados con las hipótesis de transferencias entre
cuencas y con los datos de láminas de escurrimiento (Cadier et al.,
2009).
5) Justificación del Proyecto
a) Justificación Teórica
¿Por qué estudiar las cuencas de altura?
En el estudio de la hidrología se pueden distinguir dos acercamientos: físico y de
sistema, el primero se refiere a un acercamiento básico, puro o teórico mientras en
último se refiere a un acercamiento aplicado, empírico o paramétrico (Singh, 1988).
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En el acercamiento como sistema el propósito explícito es el de investigar un
sistema, establecer una relación de entrada – salida que se pueda utilizar para
reconstruir eventos pasados o predecir eventos futuros, poniendo énfasis en el
funcionamiento del sistema y no en su naturaleza como tal, debido a la complejidad
del estudio de todas las variables involucradas (Singh, 1988).
En el caso de la planificación de recursos, que se da como una parte de complejas
investigaciones multidisciplinarias y que en el caso del WEAP integra oferta de agua
a nivel de subcuenca con procesos hidrológicos y un modelo de gestión del agua
(Yates et al, 2005), no puede ser abordado con un acercamiento puramente físico,
puesto que existen muchos factores involucrados de distinta naturaleza que
incrementarían de manera muy fuerte el nivel de complejidad de su estudio. Por
tanto en este trabajo no se pretende explicar las leyes que gobiernan el
funcionamiento de las subcuencas en estudio desde un punto de vista físico en sí,
sino el funcionamiento del sistema de manera global en relación con la oferta hídrica
para la ciudad de Quito. Este análisis como sistema de las subcuencas en estudio no
representa enteramente la realidad física de las subcuencas y se realizan
asunciones respecto a las variables involucradas, para facilitar la modelación.
b) Justificación Metodológica
Los modelos hidrológicos son herramientas que pueden ayudar a la planificación
explicando el comportamiento de las cuencas en la actualidad y en el futuro
(Mouelhi, 2006). En este sentido WEAP es una herramienta de modelación
desarrollada por el Stockholm Environment Institute (SEI, http://www.seius.org/software/weap.html), capaz de integrar ofertas de agua generadas por
procesos hidrológicos a nivel de subcuenca, con la gestión del agua regida por
demandas y necesidades ambientales (Yates, et al, 2005).
WEAP presenta ventajas sobre otros modelos hidrológicos, pudiendo integrar y
ofertas con modelos hidrológicos y demandas de agua en relación con la gestión del
recurso, además de su capacidad de trabajar sobre escenarios futuros, como el
escenario de cambio climático, lo que permitiría saber el comportamiento de las
cuencas en estudio en estos, una característica importante para la presente
investigación es que permite la creación de módulos de cálculo definidos por el
usuario como en este caso, con un modelo desarrollado por el IRD y el SEI para
modelación glaciar en la subcuenca del Artesón en Perú (Condom et al, 2009),
mientras que para las partes no glaciares de las subcuencas (páramos, pastos) se
utilizará el modelo de humedad del suelo incluido en WEAP (Yates et al., 2005).
En el presente proyecto se realizará la modelación a paso de tiempo mensual en el
período 2003 – 2007 que es el período en el cual existen series de datos en común
para las cuencas seleccionadas en estudio.
c) Justificación Práctica
Debido a la ubicación geográfica de Quito, los recursos hídricos para satisfacer sus
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necesidades de agua son escasos, o distantes (70 km) esto hace necesaria la
planificación de recursos a futuro para lograr satisfacer la demanda de agua de
forma satisfactoria, aumentando las captaciones actuales en las subcuencas del
volcán Antisana, hasta alcanzar los 17 m3/s en un futuro cercano con el proyecto
Ríos Orientales (PRO) a cargo de la EMAAP-Q (Ayabaca, 2006).
Estas captaciones de subcuencas de altura tendrán afectaciones debidas al cambio
climático y la pérdida del aporte glaciar lo que podría afectar el abastecimiento, ante
estos escenarios se hacen necesarias herramientas de planificación que permitan
estimar las afectaciones que los recursos hídricos de altura tendrán ante estos
cambios, para de esta forma estimados los efectos, poder planificar los recursos en
el futuro para garantizar un abastecimiento para la ciudad de Quito y su creciente
población.
6) Marco de Referencia
a) Marco Teórico
Los estudios de las cuencas de altura se encuentran limitados por la falta de datos,
por otro lado el conocimiento de los procesos de las cuencas de altura es escaso
aun hoy en día (Buytaert, 2006b).
Se deben distinguir dos tipos de investigaciones previas para el presente estudio, las
relacionadas con modelación hidrológica y las referentes a glaciología, dentro de la
investigación hidrológica, en 2008 el SEI-IRD aplicó WEAP para modelar la cuenca
del río Santa (Escobar et al, 2008) y en 2009 Vicuña aplico el modelo de humedad
del suelo de WEAP en la cuenca del río Paute en la provincia del Azuay para
reproducir los caudales producidos y probar escenarios de cambio climático en
relación a la gestión del recurso hídrico.
Sobre la dinámica de los glaciares existen investigaciones previas que han ayudado
a consolidar el planteamiento de modelación glaciar del IRD-SEI para el Perú, Bahr
et al. (1997) establece relaciones entre el volumen de los glaciares y su área con
glaciares alrededor del mundo a pesar de no haber incluido glaciares andinos, estos
criterios se asumen como válidos en los ejercicios de modelación realizados por el
IRD-SEI. Schaefli (2005) propone un modelo para estimar el escurrimiento glaciar
por derretimiento a un paso de tiempo diario, mismo que fue adaptado por Suárez
(2008) para un paso de tiempo mensual. En el país Manciatti y Freile (2007)
modelaron el balance de masa de la zona de ablación (parte baja del glaciar en
donde la perdida de masa por fusión y sublimación supera a la acumulación de
nieve) del glaciar 15 del volcán Antisana al igual que Cadier et al. (2008). Villacís
(2008) definió varios modelos, con diferentes grado de complejidad que permiten
simular los caudales en una cuenca con un alto grado de cobertura glaciar.
De igual manera se tomarán en cuenta otros estudios que no son necesariamente de
modelación pero que permiten describir el funcionamiento hidrológico de la cuenca.
(Andrade, 1996; Favier et al., 2008; Villacís 2008).
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Los estudios sobre el Antisana han contribuido a comprender la dinámica de los
glaciares estudiados, y a consolidar una red interinstitucional de medición de
variables hidroglaciológicas que funciona alrededor de 14 años. El análisis de las
series de datos generados ha permitido relacionar la tendencia de los glaciares al
con las variaciones del clima (Vuille et al., 2009; Villacís et al., 2008) sin integrar la
variable planificación en los estudios, limitándose al comportamiento físico de las
cuencas.
b) Marco Conceptual
Ablación: Pérdida de masa en un glaciar producida por la sublimación y la fusión.
Bandas de altitud: Forma de dividir a una subcuenca, según la altitud de la misma,
agrupando en una subdivisión una determinada variación de altitud en el terreno,
constante o no.
Deglaciación: Perdida de la cobertura glaciar
Glaciología: Rama de la geología y la geografía, preocupada de los múltiples
fenómenos actuales y pasados, relacionados con la extensión, distribución, causas,
características, procesos, dinámicas, clasificaciones e implicancias del agua en
estado sólido, en todas las manifestaciones que puede presentarse en la naturaleza
(glaciares, hielo, nieve, granizo, neviza, etc).
Hidrozona: Superficie que tiene una respuesta hidrológica uniforme.
Modelo hidrológico: Representación simplificada de un sistema complejo a través de
expresiones matemáticas (Singh, 1988).
Sublimación: Cambio de estado directamente del estado sólido al estado gaseoso
sin pasar por el estado líquido, en este caso de hielo sólido a vapor de agua.
7) Hipótesis de Trabajo
La modelación hidrológica planteada será capaz de reproducir la producción hídrica
de las subcuencas de estudio.
El modelo glaciar desarrollado en Perú, reproducirá el comportamiento de las zonas
glaciares de la zona de estudio.
8) Aspectos Metodológicos
Se utilizará una base de datos hidro-meteorológicos de la zona de estudio, utilizando
información de la red de colección de información instalada (IRD, INAMHI, EMAAPQ).
Se adaptará la información existente para ser utilizable en el programa tanto en
formato como en unidades, rellenando las series faltantes y extrapolando a años sin
datos.
Se caracterizarán las cuencas de estudio: Los Crespos y Humboldt, por sus
características topográficas (área, altitud) y de cobertura del terreno, con la
aplicación de herramientas de SIG.
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Se modelará la parte no glaciar de las sub cuencas del volcán Antisana Los Crespos
y Humboldt, a un paso de tiempo mensual, mediante el uso del modelo de humedad
del suelo incluido en el programa WEAP, considerando la subcuenca Humboldt sin
su parte alta (subcuenca Los Crespos)
Construir modelos con bandas de altitud y con catchments únicos para comprobar
los efectos de las divisiones en los resultados.
Para las zona glaciares de la zona de estudio se adaptará a las condiciones locales
el módulo glaciar desarrollado para la subcuenca Artesón en Perú por el SEI
(Stockholm Environment Institute) y el IRD (Instituto Francés de Investigación para el
desarrollo) en 2008 y se realizarán correcciones planteadas Boyenbal (2009).
Generados los modelos hidrológico y glaciológico, se calibrarán con los datos
existentes medidos de las estaciones dentro de la zona de estudio del volcán
Antisana.
Los parámetros resultados de la calibración serán extrapolados a las cuencas que
aportan al sistema La Mica Quito-Sur, con el objeto simular caudales en zonas en las
que existe menos información y evaluar la robustez del modelo para simular la
capacidad de producción de las cuencas antes mencionadas. La evaluación de la
coherencia del modelo se hará con los datos de láminas de escurrimiento generadas
por Cadier (2009).
9) Temario (SOLO LOS TITULOS PRINCIPALES).
1. Introducción, Objetivos e Hipótesis.
2. Descripción de la zona de estudio.
3. Datos disponibles.
4. Fundamento teórico.
5. Metodología.
6. Análisis de los resultados.
7. Conclusiones y recomendaciones.
Referencias Bibliográficas.
Anexos.
10) Bibliografía
Ayabaca, E. 2006. Agua potable para el distrito metropolitan de Quito hasta el 2055.
Congreso ANEMAPA, Ibarra-Ecuador, Septiembre, 1 – 26 pp.
Bahr, D., Mier, M., Peckham, S. 1997. The physical basis of glacier area-volume
scaling, Journal of Geophysical research, 102 (B9), 355 – 362 pp.
Boyenbal, E. 2009. Modélisation de l’évolution du glacier 15 du volcan Antisana,
Equateur. EPN-IRD. Quito – Ecuador. 4 – 36 pp.
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E-7/1
Bradley R., Vuille, M., Diaz, H., Vergara W.,2006, Threats to Water Supplies in the
Tropical Andes, Science magazine, Vol 312.
Buytaert, W., Sevink, J., De Leeuw, B., Deckers, J. 2004. Clay Mineralogy of the soils
in the south Ecuadorian páramo region, Geoderma, Vol 127: 114 – 119 pp.
Buytaert, W., Wyseure, G., De Bievre, B., Deckers, J. 2005. The effect of land-use
changes on the hydrological behavior of Histic Andosols in south Ecuador.
Interscience, Vol 19. 3985 p.
Buytaert, W., De Bièvre, B., Celleri, R., Cisneros, F., Wyseure, G., Deckers, S.,
Hofstede, R., 2006 (a), Human impact on the hydrology of the Andean
páramos, Earth Science Review, 79(2006): 53.
Buytaert, W., De Bièvre, B., Celleri, R., Wyseure, G., Deckers, S., 2006 (b),
Modelando el comportamiento hidrológico de microcuencas de páramo en el
Sur del Ecuador con TOP MODEL. 1 – 10 pp.
Cadier E., Launay M., Aguayo V., Alvarado C., Sotomayor M., Dupré Latour J., Du
Boisberranger N., 2009. Hidrología de las cuencas del Antisana - Resultados
obtenidos entre Oct, 2008 y Abril 2009. Presentación a la EMAAP-Q, 21 de
mayo 2009, 36 imag.
Comunidad Andina, 2007. ¿El Fin de las cumbres nevadas?, Glaciares dentro del
cambio climático en la Comunidad Andina.
Condom T., Suarez W., Pouget J.C., Le Goulven P., 2009. Technical Report on
glacier and high elevation wetlands model selection and parameterization, IRD
- World Bank Contract "Assessing the Impacts of Climate Change on Mountain
Hydrology: Development of a Methodology through a Case Study in Peru",
June 10, 2009, 52 p.
Escobar M., Purkey D., Pouget J.C., Suarez W., Condom T., Ramos C., 2008.
Construcción del Modelo WEAP del Río Santa, informe IRD-SEI avance
proyecto Banco Mundial "Assessing the Impacts of Climate Change on
Mountain Hydrology: Development of a Methodology through a Case Study in
Peru", nov 2008, 24 p.
Freile, D., Manciatti, C., 2007, Relación a escala mensual y estacional entre la
Información hidrometeorológica local y regional y La fusión de los glaciares
tropicales del ecuador. Casos de estudio: glaciar 15 y glaciar “Crespos” del
nevado Antisana, Tesis (Ingeniería Civil), Quito, Ecuador, Escuela Politécnica
Nacional, Facultad de Ingeniería Civil y Ambiental.
Loucks, D., 1995. Developing and implementing decision support systems: A critique
and a challenge. Water Resources Bulletin 31, No. 4: 571-82.
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
Facultad de Ingeniería Civil y Ambiental
E-8/1
Marinus, V. 1991. Process and patterns of erosion in natural and disturbed Andean
forest ecosystems. The Netherlands: Netherland Geographic Studies
(125)157-162.
Mouelhi, S., Michel, C., Perrin, C., Andreássian, V., 2006, Stepwise development of
a two-parameter monthly water balance model, Journal of Hydrology,
318(2006): 200, 201.
Mölg, T., Hardy, D., Cullen, N., Kaser, G., 2004, Tropical glaciers in the context of
climate change and society: Focus on Kilimanjaro (East Africa), Wengen 2004
Workshop, 1 – 4 pp
Pouget, J., Calvez, R., Le Goulven, P., Lloret, P., Villacís, M., 2008. Challenges of
water resources planning in the Andes - The case of Quito in Ecuador. XIIIth
World Water Congress – Montpellier. Montpellier – Francia, 1 – 14 pp.
Pouyaud, B., Francou, B., Ribstein, P. 1995, Un réseau d'observation des glaciers
dans les Andes Tropicales. Bulletin de l'Institut Français d'Etudes Andines
24(3):707-714.
Purkey D., Condom T., Escobar M., Pouget J.C., Ramos C., Suarez W., 2008. An
Approach for Modelling the Hydrologic Role of Glaciers in WEAP, IRD-SEI
report of World Bank Project "Assessing the Impacts of Climate Change on
Mountain Hydrology: Development of a Methodology through a Case Study in
Peru", oct 2008, 11 p.
Schaefli, B., Hinglay, B., Miggli, M., Musy, A. 2005. A conceptual glacio-hydrological
model for high mountainous catchments, Hydrology and Earth System
Science, 9, 95 – 109 pp.
Singh, Y. 1988. Hydrologic Systems V1, New Jersey, Estados Unidos, Editorial
Prentice – Hall, 1, 15 pp.
Suárez, W. 2007. Le bassin versant du fleuve Santa (Andes du Pérou) : dynamique
des écoulements en contexte glacio-pluvio-nival. Tesis (Doctorado en Agua
continental y sociedad), Montpellier – Francia, L´Universite Montpellier.
Vicuña S., Escobar M., 2009. Guía metodológica: Modelación hidrológica y de
recursos hídricos en WEAP. Universidad de Concepción, SEI, Centro de
Cambio Global. Santiago – Chile, Boston – EU, may 2009, 83 p.
Villacís, M., Galárraga, R., Ayabaca, M., Molina, J., 2007. Modelación precipitaciónescorrentía a nivel diario en una cuenca Amazónica Andina. Estudio de caso:
La cuenca del río Quijos en la cuenca alta del río Napo, IX Congreso Nacional
de Hidráulica y 1ero de Manejo Integral de Recursos Hídricos. Quito, Ecuador.
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Villacís, M., Favier, V., Cadier, E., P Pouyaud, B., Maisincho, L., Ayabaca, E.,
Francou, B., 2008 (a), Climate-glacier runoff relationship in the Andes of
Ecuador, a case of study on Antisana stratovolcano. 1p.
Villacís, M., 2008 (b), Tesis, Ressources en eau glaciaire dans les Andes d’Equateur
en relation avec les variations du climat : Le cas du volcan Antisana, Tesis
(Doctorado en agua continental y sociedad), París, France, L'universite
Montpellier, 225p, 234pp
Vuille, M., Bradley, R., Werner, M., Keimig, F., 2003, 20th century climate change in
the tropical Andes: observations and model results, 75p, 76p, 77pp.
Yates, D., Sieber, J., Purkey, D., Huber -Lee, A. 2005. WEAP21 – A Demand-,
Priority-, and Preference-Driven Water Planning Model. International Water
Resources Association, 30(4), 487 – 500 pp.
11) Presupuesto y Fuentes de Financiamiento
Materiales y equipo
Costo
Costo total
(Dolares) (8 meses)
Financiamiento
Materiales y equipo de oficina
Esferos
Libretas
Papel bond
200
200
FONAG – IRD
Equipo de oficina
Computador
Energía eléctrica
Internet
Alimentación
Transporte
WEAP
Hydraccess
Datos IRD
Datos INAMHI
Datos FONAG
1000
1000
Servicios utilizados
20/mes
200
Fondos propios
FONAG – IRD
35/mes
280
Materiales y equipo de campo
Salidas de campo (4)
10/salida
40
IRD – INAMHI EPN
20/salida
80
Programas
Libre
Libre
Libre
Libre
Datos geohidrometerológicos
Libres
Libres
Libres
Costo investigador
200/mes
1600
TOTAL
3215
IRD
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12) Cronograma de Actividades
Actividades
MAR
ABR
MAY
JUN
JUL
AGO
Revision bibliografica
Recopilacion de la informacion
Tratamiento de la informacion
Capacitacion sobre el modelo
Construccion del modelo
Corridas Iniciales
Calibracion y validacion del modelo en las
cuencas con disponibilidad de datos
Reproduccion del modelo calibrado a todas
las cuencas
Analisis de resultados.
Elaboracion del borrador de tesis
Correcciones
Firma Estudiante 1
Firma Profesor Auspiciante
SEP
OCT
NOV
DIC
ENE
FEB
MAR