Metodologías utilizadas para determinar el caudal ambiental


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En este módulo se presenta información sobre los diferentes enfoques, metodologías y modelos que existen para definir el caudal ambiental que se debe mantener en un río para un proyecto en particular.


 

Según la bibliografía, existen aproximadamente 200 metodologías en más de 50 países (Tharme,2003) para determinar o establecer un caudal ambiental, estos métodos se basan en diferentes criterios, objetivos e intereses, todas estas metodologías han sido analizadas y clasificadas (Palau, 1994).En términos generales se clasifican en métodos estrictamente hidrológicos, basado en registros de caudales, estas  fueron muy utilizados en los años 80s y 90s, actualmente se consideran poco integrales ya que no toma en cuenta variables biológicas  ni funcionales de los ecosistemas fluviales.

Otra clasificación  son los criterios hidráulicos o hidráulico-biológico, estos se basan  en estudios  morfo hidráulicos que determinan el hábitat de una comunidad acuática específica, se han trabajado principalmente con peces, sin embargo estas metodologías han perdido la atención y son considerados métodos de “segunda generación”, ya que con el trascurso de los años han ido apareciendo métodos que se consideran más adecuados para poder calcular caudales ambientales, como lo son las simulaciones de hábitat (“Tercera generación”) esta  toma en cuenta un grupo más extenso  de variables entre las cuales se puede mencionar las morfo hidrológicas, fisicoquímicas, tróficas y las relacionas con variables biológicas y poblacionales como biomasa, densidad, etc. con el objetivo de poder definir preferencias de hábitat y determinar un caudal más acertado, sin embargo  estos métodos , son los más costosos y los que requieren más tiempo ( Pizarro, 2004).

Por otra, parte algunos de los enfoques para establecer un caudal ambiental se pueden categorizar según la relación con la condición de la propuesta, ya sea porque se cumpla un porcentaje del caudal promedio o se establezca un umbral mínimo o un régimen de caudal.

 

A continuación se describen los enfoques

  • Porcentaje del caudal: Se propone cumplir con bandas de alteraciones del régimen del caudal natural (límites de la sostenibilidad) admisibles, que en lugar de un umbral se define un porcentaje del caudal promedio anual.

  • Umbrales de caudal mínimo: Cuando se establecen niveles de caudal mínimo anual o estacional que no deben ser superados. Estos se pueden relacionar a mantener las condiciones óptimas para una especie o para un uso determinado.

  • Construcción sistemática de un régimen de caudal modificado: Se propone un patrón de caudal con elementos bien definidos que representan el régimen de caudal para lograr condiciones particulares ecológicas, calidad del agua, geomorfológicas, usos sociales u otros objetivos en el caudal modificado.

 

Según resume Krasovskaia (2007), Dunbar et al. (1998) los organiza según el enfoque o de las características de la información en la que se basa la metodología, así los divide en:

  • Enfoque (método) observado, o levantado.

  • Enfoque basado en discusión y análisis hidrológico

  • Modelos basados en respuestas biológicas

 

Algunos métodos están dirigidos a establecer un estándar “óptimo”, o dirigidos hacia ciertos objetivos específicos.

Mientras que Jowett (1997) sugirió otra subdivisión:

  • Métodos de caudal histórico

  • Métodos hidráulicos

  • Métodos de hábitat

 

Los métodos de caudal histórico corresponden aproximadamente al “Enfoque de levantado” que propuso anteriormente Dumbar, los métodos hidráulicos forman parte del análisis hidrológico y los métodos del hábitat se parecen a modelos basados en respuestas biológicas. Por su semejanza, se describen en forma general los métodos que calzan en estas dos clasificaciones.

 

Método “observado” (índices hidrológicos)

Entre los métodos de mayor uso a nivel mundial, las técnicas de “observación” o levantado tienen el liderato. (Dunbar et al. 1998). Este método es basado en índices hidrológicos simples tales como porcentaje del caudal natural promedio o porcentaje de excedencia de la curva de duración del caudal natural. El propósito es determinar un cierto caudal ecológico mínimo estándar que dependa de las variaciones estacionales, o de un cierto umbral “óptimo” deseable. El método, en su etapa inicial, lleva mucho trabajo. Cuando están establecidos, los estándares pueden ser utilizados con eficacia para monitorear, y ayudar a identificar, los sectores del río donde son necesarias otras investigaciones. Como “valores estándares” se utilizan la mediana de los caudales mínimos diarios (Dinamarca); el 25% del caudal promedio anual (Canadá Atlántico); mayor que 1/40 del caudal promedio para esquemas existentes y 1/10 - para los nuevos (Francia); el 10% del caudal promedio (España, en la ausencia de más detalles); porcentaje del caudal promedio anual de acuerdo con las diferentes etapas de la función de la vida, ej. 10%, 30% de la supervivencia para un sistema acuático sano (método de Tennant, Tennant 1976); porcentajes variables de las medianas de los caudales mensuales (método de Texas para condiciones con las distribuciones de frecuencia de los caudales positivamente sesgados, Matthews y Bao 1991, E.E.U.U.). El uso de los índices derivados de las curvas de duración del caudal parece ser prometedor. Es claro que los “métodos observados” son, sobre todo, útiles para las valoraciones de las estimaciones de “nivel-uno” (marginales).

 

Enfoques basados en discusión y análisis hidrológico

Estos métodos se basan en el uso estructurado de las opiniones de expertos y de análisis hidrológicos. El uso de las opiniones de expertos expresados durante talleres temáticos estructurados está aumentando alrededor del mundo. Este método permite traer y usar la gran experiencia acumulada por los expertos, que es difícil de cuantificar de otra manera. El enfoque de panel de expertos puede ser parte de análisis holísticos que incluyen otros métodos. Ejemplos de los países en donde este método se utiliza activamente son: Australia (ej. Swales y Harris 1995), Austria, España, Suiza y el Reino Unido. A continuación se mencionan las etapas claves emprendidas en un estudio holístico por un equipo de expertos tomadas de un ejemplo Australiano (Thoms y otros, 1996):

  • Informe inicial de los miembros del panel; criterios, sectores y sitios.

  • Inspecciones del campo con reporte de los resultados iniciales.

  • Reuniones públicas con los grupos interesados de la cuenca.

  • Taller intermedio.

  • Distribución del informe del panel.

  • Taller final del panel y de los grupos de interés de la cuenca.

El análisis hidrológico se realiza generalmente como parte del análisis de escritorio de los datos históricos (Petts et al., 1996). Estos métodos son diferentes al “método observado” porque implican la generación y el análisis de series de tiempo hidrológicas alternativas, así como análisis de la información biológica existente en lo referente a caudales históricos. Al  respecto, un diálogo activo entre los ecólogos y los hidrólogos es esencial. Otro tipo de análisis hidrológico incluye investigaciones de campo directas para describir hábitat en una perspectiva hidrológica. Los enfoques regionales (siempre que sean posibles) tienen un valor especial.

Los métodos hidráulicos simples se han utilizado en numerosos casos durante mucho tiempo (por e.g. en los E.E.U.U.).

La conservación  del perímetro mojado es un ejemplo de los métodos de este grupo, usado para definir caudales ambientales en Australia por ejemplo. La idea se basa en la determinación de un “punto de quiebre” en el perímetro mojado en relación al caudal correspondiente; es decir, el punto cuando el crecimiento del perímetro mojado disminuye y el caudal todavía está creciendo. Gippel y Stewardson (1996) proporcionan una revisión útil de este enfoque. Según ellos, los valores obtenidos son algo más altos que los especificados históricamente. La ventaja de este método es que no requiere relaciones detalladas de las especies o del hábitat.

El análisis hidrológico es un elemento imprescindible al establecer el CMA y es una parte importante de todos los métodos usados.

Métodos del hábitat

La metodología detallada más común y consistentemente aplicada en este grupo es la metodología incremental del caudal (Instream Flow Incremental Methodology (IFIM)) y sus variaciones (ej. los E.E.U.U., República checa, Canadá, Austria, España, Suiza). Este método se utiliza a menudo en el marco de enfoques holísticos. El método IFIM se considera al mismo tiempo uno de los métodos que más demanda recursos. La metodología consiste en un marco conceptual para presentar a los tomadores de decisiones con series de opciones gerenciales y de consecuencias previstas. Proporciona una plataforma para negociaciones y la toma de decisiones. El análisis hidrológico y las simulaciones físicas del hábitat son partes esenciales del IFIM, que puede también incluir otros bloques. Según Bovee (1995) en el IFIM se incluyen las siguientes fases:

  • Identificación y diagnóstico del problema

  • Análisis legal e institucional

  • Análisis de temas

  • Planeamiento del estudio

  • Selección de métodos apropiados

  • Objetivos del estudio

  • Límites del problema

  • Definición e identificación de líneas bases

  • Alcance: Hidrología, geomorfología, temperatura, calidad del agua, Micro hábitat

  • Puesta en práctica del estudio

  • Componente hidrológico

  • Temperatura y calidad del agua

  • Micro hábitat físico

  • Integración del Macro y Micro hábitat

  • Análisis alternativo

  • Formulando y probando alternativas

  • Resolución de problemas

  • Negociación

El modelaje del hábitat es una parte esencial de los métodos de hábitat y es de uso frecuente dentro del marco del IFIM. Entre los métodos más ampliamente utilizados (pero también demandante de cantidad de datos) está el PHABSIM (simulación física del hábitat) desarrollado por el Mid-continent Ecological Science Centre, del Servicio de Pesca y Vida Silvestre de los E.E.U.U. en los años ochenta. Este modelo permite determinar los impactos causados por los cambios en regímenes del caudal en el hábitat físico dentro de la corriente sobre las especies seleccionadas. El modelo PHABSIM  utiliza dos etapas en la recolección de los datos: características físicas del canal (niveles del agua y velocidad de la corriente en los transectos; estudio de campo sobre la geometría del canal) y condiciones físicas del hábitat que son aceptables o no para la especie acuática. El modelo ayuda a ver cómo un hábitat puede variar sobre la base espacial y temporal con la ayuda de relaciones entre el hábitat físico potencial (área útil pesada WUA) y el caudal en el río. El modelo se utiliza, por ejemplo, en los E.E.U.U., República Checa, Reino Unido, Canadá, Austria y Australia. El modelo no proporciona una sola respuesta.

Otro ejemplo de los modelos del hábitat es el EVHA (Evaluación del Hábitat). Ver  por ejemplo, Ginot, (1995) desarrollado por Cemagref Lyon en colaboración con EDF (Electricité de France), Francia. Este modelo también se ha utilizado en Finlandia. Las diferencias principales con PHABSIM son: diversos métodos para el cálculo del índice del substrato apropiado para una celda; uso de un modelo hidráulico sencillo y de la ecuación de Limerinos para describir la hidráulica del canal con unidades métricas.

CASIMIR (Computer Aided Simulation Model for Instream flow Requirements in regulated streams), Jorde, (1996) es un modelo utilizado en Alemania. El modelo incluye tres tipos de hábitat (fondo, acuático y ripario). Se utilizan para calibrar el modelo varios caudales tomados en puntos aleatoriamente seleccionados. El modelo incluye también bloques para el análisis hidrológico y económico.

RFS (River Flow Simulator), Killingtveit & Harby, (1994) es un sistema de simulación hidrológico/ limnológico Noruego que también incluye modelos del hábitat. La simulación hidráulica es modelada por el HEC-2.

Ha habido varias tentativas de desarrollar técnicas regionales para los modelos del hábitat para aplicación a nivel de cuenca. Sin embargo, un gran estudio multidisciplinario de PHABSIM no sería posible ni apropiado (Dunbar y otros. 1998)

 

Métodos híbridos.

Muchos estudios combinan elementos de los métodos presentados anteriormente. El método de Tennant es un ejemplo. Éste está basado en relaciones regionales estandarizadas entre el porcentaje del caudal promedio y la calidad de la industria pesquera que se derivan usando la base de datos de las opiniones de expertos. Los métodos híbridos pueden incluir una combinación de IFIM y de las opiniones de expertos.

El método Vasco (Docampo y de Bikuna, 1995) combina un estudio hidráulico (calibrado de un modelo para estimar la variación en el perímetro mojado dependiente del caudal) y datos de campo sobre la diversidad de las especies. La parte biótica se basa en el concepto del río como un continuo asumiendo que la diversidad de las especies aumenta con el caudal en los tramos altos/medios de un río.

Al elegir un enfoque es necesario considerar cada vez el problema y las condiciones específicas del lugar. El uso a ciegas de las técnicas desarrolladas en otra parte es muy arriesgado. Krasovskaia (2007) recomienda en el  marco del proyecto RANA ICE, la utilización de  una combinación de estudios. En el cual aplicaron un formato híbrido: comenzar con un análisis profundo de hidrología; aplicar un estudio basado en discusión para establecer las restricciones biológicas naturales y las socioproductivas; investigar las condiciones biológicas naturales y socioproductivas en dos casos de estudio con respecto a las demandas del caudal mínimo; seguir los pasos del modelo de respuesta biológica y finalmente, trabajar con métodos interactivos de casos como herramienta para aplicar los resultados a un caso particular. Probando casos se ofrece un marco de negociación para alcanzar un compromiso aceptable entre las necesidades que fueron consideradas históricamente como conflictivas (Everard, 1994).

 

Métodos holísticos.

Los métodos Holísticos, permiten determinar regímenes hidrológicos necesarios para mantener la integralidad del ecosistema, además de los usos sociales y productivos. Se basan en que el manejo debe contemplar todos los factores biológicos, abióticos, socioeconómicos y el espectro completo del régimen hidrológico, incluyendo tanto su variabilidad espacial como temporal. Por lo tanto, son esencialmente interdisciplinarios.

Una de las metodologías holísticas es DRIFT (Downstream Response to Imposed Flow Transformation), la cual consiste en cuatro módulos: biofísico, sociológico, desarrollo de escenarios y económico (King et al. 2008). El módulo biofísico implica la descripción de los elementos naturales y el funcionamiento del río y establece las bases para predecir cambios relacionados a modificaciones del caudal. El módulo sociológico identifica la población en riesgo, describe los usos del río y los perfiles de salud, que contribuyen a predecir los impactos sociales de los cambios en el río., Con base en esto, en el tercer módulo se identifican escenarios hidrológicos posibles y se describen las potenciales consecuencias biofísicas y sociales. Por último, el cuarto módulo calcula los costos de compensación y mitigación de los impactos en la población en riesgo para cada escenario. El resultado es una serie de escenarios descritos que pueden ser utilizados para la toma de decisión.

La metodología RANA ICE (Karsovskaia et al 2007 y Krasovskaia y Gotschalk, 2014) es considerado un método holístico, incorpora también aspectos hidrológicos, ecológicos y socioeconómicos. En su desarrollo más reciente incorpora aspectos de variabilidad del ecosistema (ver descripción más detallada adelante).

El método desarrollado en South Africa y propuesto por King y colaboradores (edición actualizada 2008) conocido como Building Block Methodology (BBM) es esencialmente un enfoque prescriptivo, diseñado para construir un régimen de flujo para el mantenimiento de un río en una condición predeterminada. La BBM ha proporcionado además un Impulso para la evolución de varias metodologías alternativas de caudal ambiental de tipo holístico, como la metodología DRIFT mencionada anteriormente (Cuadro 3.1)

Como se menciona en este enunciado la existencia de diversas metodologías y enfoques que existen ha producido que diferentes identidades como el  Banco Mundial generen una clasificación basada en los datos requeridos y en el tiempo de evaluación de los caudales (Cuadro 3.2).

 

Cuadro 3.1.Datos relativos y requerimientos de tiempo de los métodos de evaluación  de caudales seleccionados.

 

Evaluación  de caudales seleccionados
Tipo de método Método Duración de la Evaluación Confiabilida Nivel de Aplicación
Prescriptivos
Tennant 2 semanas Baja USA-Extensivo
Perímetro húmedo 2-4 meses Baja USA-Extensivo
Panel de expertos 1-2 meses Media Sudáfrica y Australia-Extensivo
Holístico 6-18 meses Media Australia-Muy Limitado
Interactivos
IFI 2-5 años Alta USA,UK-Extensivo
DRIF 1-3 años Alta Lesotho, Sudáfrica - Muy limitada
 

Fuente: Banco Mundial, 2003 .

 

Otra institución que ha generado una clasificación de los métodos para calcular caudal ambiental es la Unión Internacional para la Conservación de la Naturaleza (UICN), realiza una diferenciación de cuatro categorías mencionadas a continuación:

  1. Cuadro de consultas.

  2. Análisis por computadora.

  3. Análisis funcional.

  4. Modelos de hábitat.

Cada una de estas categorías requiere de un experto y de diferente información, además se puede analizar un sistema fluvial completo o simplemente una parte (Cuadro 3.2) (UICN,2003).

 

Cuadro 3.2. Metodologías  según el sistema de clasificación de la UICN. 

Tipo de Metodología Descripción
Cuadros de consulta
Son normas prácticas que se basan en índices sencillos que se encuentran en cuadros de consulta. Los índices que más se utilizan son puramente hidrológicos, pero, en la década de los setentas, se desarrollaron algunos métodos que utilizan datos ecológicos
Los gestores de agua utilizan índices hidrológicos como porcentajes del caudal promedio o ciertos percentiles a partir de una curva de duración del caudal. Se ha adoptado este método para el establecimiento del caudal ambiental con el fin de definir reglas sencillas de operación para presas o estructuras de extracción cuando no existen datos ecológicos o son escaso
Una vez que se ha desarrollado el procedimiento general, se requieren relativamente pocos recursos para la determinación de caudales mínimos y su aplicación
Los cuadros de consulta son particularmente útiles para situaciones de escasa controversia
Análisis por Computadora
Los métodos de análisis por computadora utilizan datos existentes, de caudales de ríos obtenidos de estaciones de medición y datos de peces a partir de estudios  regulares
Cuando es necesario, se recopilan  datos en un sitio o sitios particulares en el río, para complementar la información existente
Los métodos de análisis hidrológico por computadora examinan todo el régimen de caudal fluvial en vez de estadísticas pre-derivadas. Un principio fundamental es conservar la integridad, la estacionalidad natural y la variabilidad de caudales, incluyendo inundaciones y caudales bajo
Cuando utilizan datos ecológicos se basan en técnicas estadísticas que relacionan variables independientes, como caudal, con variables bióticas dependientes, como cifras de población o índices de estructura comunitaria calculados a partir de listas de especies
Abordan de manera directa el caudal y los aspectos ecológicos en cuestión. Existen algunas dificultades en este tipo de análisis:
a) Resulta difícil e incluso imposible derivar índices bióticos que sean solo sensibles a caudales y no a otros factores, como estructura del hábitat y calidad del agua. Cuando menos, deberían utilizarse con suma cautela índices bióticos diseñados para monitorear la calidad del agua.
b) La ausencia de datos tanto hidrológicos como biológicos resulta a menudo un factor limitante, y a veces los datos han sido recopilados de manera rutinaria para otros fines y no son adecuados.
c) Las series temporales de caudales y los índices ecológicos pueden no ser independientes, lo cual puede infringir los supuestos de técnicas estadísticas clásicas.
Análisis Funcional

 

Incluyen los métodos que desarrollan una comprensión de los vínculos funcionales entre todos los aspectos de la hidrología y ecología del sistema fluvial
Incorporan de forma importante la participación  de expertos
El método más  conocido  de este grupo es la “Building Block Methodology” (BBM–metodología de bloques de construcción), desarrollada en Sudáfrica. La premisa básica de la BBM es la dependencia de las especies por  elementos básicos (bloques de construcción) del régimen de caudal, incluyendo caudales bajos e inundaciones, para conservar la dinámica de sedimentos y la estructura geomorfológica del río
Se requiere de la participación de un grupo multidisciplinarios con alto grado de especialización en hidrología, hidrogeólogía, hidráulica, biología, entomología, botánica, e ictiologí
Estos métodos se han aplicado de manera rutinaria en Australia ( King et al. 2000) y se realizan pruebas  en Estados Unidos de Norte América
Modelos de hábitat
Se utilizan datos sobre hábitats de especies objetivo con el fin de determinar necesidades de caudal ambiental. • Relacionan directamente los cambios en el régimen del caudal con la respuesta de las especies y comunidades bióticas.
Los cambios en las variables físicas de los ecosistemas fluviales son relevantes en este tipo de análisis, debido a las inmediatas perturbaciones  que se producen en los hábitats  por las alteraciones  en el régimen del cauda
La relación entre caudal, hábitat y especies se puede describir mediante el nexo de las propiedades físicas en los tramos del río, (por ejemplo, profundidad y velocidad del flujo, a diferentes caudales medidos o incluidos en un modelo), con las condiciones físicas que las especies claves de animales y plantas necesita
Estos métodos van acompañados de representaciones de compatibilidad o preferencia de hábitat para definir los cambios del hábitat respectos al caudal. La magnitud del cambio será específica de la especie bajo estudio, y con frecuencia difiere en diferentes etapas de desarrollo de especies individuale
En 1976 se publicó el primer intento de formulación de este método para ríos (Waters 1976). Esto condujo muy pronto a la descripción más formal de un modelo por computadora llamado PHABSIM (Physical Hábitat Simulation – Simulación de hábitat físico) por parte del Servicio de Pesca y Vida Silvestre de EE UU (Bovee, 1982
IUCIN Se han desarrollado otros modelos que siguen básicamente el mismo principio  del PHABSIM (Parasiewicz & Dunbar 2001).  
El método de modelos de hábitat ya ha sido adaptado para su utilización en muchos países, incluyendo Francia (Ginot, 1995),  Noruega (Killingtviet & Harby, 1994 y Nueva Zelanda ((Jowett,1989), en tanto que otros países han desarrollado de manera independiente métodos similares (Jorde, 1996).
Se ha utilizado los modelos de hábitat para estimar los efectos, en función de hábitat físico utilizable  y de cambios históricos o futuros en caudales debido a la extracción de agua o construcción de represa

Fuente: UICN

 

Descripción detallada de algunas las metodologías:

Algunos de los métodos más utilizados y que sirven para resolver situaciones de diferente nivel de impacto en el régimen hídrico, se describen a mayor profundidad y se dan referencias específicas, de tal manera que puedan estar entre el abanico de opciones que un desarrollador de un proyecto o actividad, que utiliza el recurso hídrico y pretenda una concesión de agua, pueda utilizarlos.

 

Instream Flow Incremental Methodology: IFIM (De su siglas en Inglés) Metodología Incremental para el cálculo del Caudal

Está método fue desarrollado por el departamento de Pesca y Vida Silvestre de los Estados Unidos (Bovee y Milhous, 1978) está  metodología es  utilizada con el fin de evaluar los efectos del cambio del caudal en la estructura del canal, calidad de agua, temperatura y disponibilidad de microhabitat lo que permite hacer referencias a los factores que pueden verse afectado por los cambios en el caudal. El IFIM es una combinación de varias disciplinas: hidrología, hidráulica, ingeniería, geomorfología fluvial, química del agua, biología y ecología entre otros, debido a esto es unos de los métodos que se utiliza  frecuentemente  para evaluar la cantidad de agua que debe permanecer en la fuente de agua que se está aprovechando (Espinoza et al, 2010).

Esta metodología es una herramienta que permite una evaluación  del hábitat fluvial para de esta manera poderla relacionar con los posibles impactos que se pueden ocasionar en el ecosistema fluvial en particular. El IFIM simula las diferentes condiciones hidráulicas del microhábitat y de esta manera evaluar los efectos que se pueden dar por los cambios que implica el aprovechamiento del ecosistema fluvial (Armour et al, 1984).

Es importante tomar cuenta que para aplicar esta metodología, hay que tener los objetivos del proyecto bien claros así como  las especies a analizar, también hay que tomar en cuenta los diferentes interés de los usuarios del recurso hídrico y de las especies que lo utilizan.

Este método es principalmente utilizado con peces e invertebrados, toma en cuenta variables como velocidad, profundidad, sustrato y cobertura (Stalnaker, 1980).Es importante mencionar que el IFIM es una herramienta para la gestión del agua y no un modelo ecológico por esta razón no  genera una solución sino más bien una evaluación de los impactos bajo diversos supuestos.

El éxito del IFIM es el establecimiento de un caudal ambiental que cumpla con los requerimientos de las especies y de los usuarios por esta razón requiere de un trabajo multidisciplinario

Pasos para aplicar el IFIM

  1. Determinar el grado actual de la cuenca.

  2. Establecer el uso que se le quiere dar al ecosistema fluvial

  3. Determinar el alcance del estudio.

  4. Delimitar la zona de estudio,

  5. Elegir los puntos de muestreo.

  6. Recolección de los datos.

  7. Simulación.

  8. Interpretación de los resultados

  9. Determinación del régimen de caudales.

 

Building Block Methodology BBM: (De sus siglas en inglés).

Metodología de construcción de Bloques

Este método holístico   desarrollado en Sudáfrica por King et al 2002, bajo los siguientes supuestos, las especies que hacen usos del sistema fluvial están adaptadas a las fluctuación de caudal que  dan en las diferentes épocas del año ( época lluviosa, época seca)  ya que estos conservan la dinámica de los sedimentos y la estructura geomorfología del rio  y que los cambios artificiales  que se provoquen el  en s caudal pueden ocasionar perturbaciones en el ecosistema y de esta manera pueden cambiar el carácter del sistema fluvial y por ente de las especies que la utilizan. Este método requiere de trabajo interdisciplinario, los expertos se encargan de recopilar  y analizar la información del rio en estudio, para mantener la biota el funcionamiento del sistema, la primea fase de esta metodología corresponde  a identificar todos los usos que se le dan al río, cultural, social, económico y ecológico. Generalmente se trabajan desde 1 hasta 5 transectos dependiendo de del tamaño del área de estudio, en cada transectos se debe analizar el tipo de sustrato, vegetación raparía y de macrófitas, además de información hidrológica, como curvas de duración de caudal, periodo de retorno, otra información que se debe recopilar es la entrada de agua subterránea estos corresponde  al primer bloque o fase (Castro et al, 2006) (Fig. 1).

En el segundo bloque se procede a analizar  la información  para establecer la relación entre los caudales y las características hidráulicas, la morfología del canal y los biotopos para generar propuestas de  un caudal ambiental que garantice el ciclo de vida de la fauna acuática ( peces, macroinvertedrados  , renacuajos, ect)  por ejemplo movilidad de los peces migratorios, desove. También debe garantizar los usos socioeconómicos y culturales del rio, además de los ciclos vegetativos de las especies que se encuentran en la ribera, cuyo ciclo de vida dependa de la disponibilidad del agua en determinada época del año, y por último la navegabilidad en los casos que aplica (Aguilera y Poully, 2012).

La principal ventaja que tiene este método es que al ser holístico  toma en cuenta una gran cantidad de aspectos del régimen fluvial, lo que lo hace que tenga una mayor probabilidad de sostenibilidad a lo largo del tiempo.


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Figura 3.1. Ilustración de la Block  Bulding Methodology, Adaptado por King et al, 2008

 

Ecological limits of hydrologic alteration: ELOHA (De sus siglas en  inglés).

Método de límites ecológicos de las alteraciones hidrológicas.

ELOHA es un sistema flexible para determinar e implementar caudales ambientales en una escala regional, a través de información hidrológica y biológica (The Nature Conservancy, 2017). El método surge a través de un comité de científicos especializados en hidrología, ecología y manejo del recurso hídrico, basándose en cuatro argumentos para su implementación  (Poff et al., 2010) (Fig 2).

Primero argumentaron que la compresión científica actual en cuanto a la alteración del caudal y por ende, la modificación de los procesos ecológicos justifica el desarrollo de normas regionales para apoyar la restauración y la conservación de los ríos(Poff et al., 2010).

El segundo argumento para desarrollar ELOHA, es por la gran cantidad de metodologías que se han desarrollado para cuantificar el caudal provocado por el hombre y las alteraciones ecológicas, las cuales proveen una excelente caja de herramientas para determinar caudales ambientales. Muchos de estos métodos y herramientas, pueden ser directamente aplicadas y fácilmente adaptables para evaluar el caudal ambiental de forma regional (Arthington, n.d.; Poff et al., 2010).

Tercero, ya existe una base conceptual para facilitar las evaluaciones de los caudales ambientales regionales. Al clasificar los ríos de acuerdo con características de caudal ecológicamente significativas, se pueden identificar grupos de ríos similares, de manera que dentro de un grupo o tipo de río, existe un rango de variación hidrológica y ecológica que puede ser considerado como la variabilidad natural (Arthington, n.d.; Poff et al., 2010).

Cuarto, el desarrollo e implementación de estándares de caudal ambiental a escalas regionales requiere emplear modelos hidrológicos que puedan proporcionar estimaciones razonables precisas de caudales ecológicamente significativos en ríos o segmentos de ríos distribuidos en una región, incluyendo aquellos que carecen de registro (Arthington, n.d.; Poff et al., 2010).

Por último, se entiende que el manejo de ríos es complejo y debe contemplar la relación socioambiental, por lo que se debe realizar asociaciones entre manejadores e interesados en el aprovechamiento del recurso hídrico (Poff et al., 2010).

Así, el método ELOHA ofrece una solución flexible y científicamente defendible para determinar de manera general las necesidades de caudal ambiental en casos donde no se pueden realizar estudios detallados para todos los ríos de una región. El método ELOHA se basa en la sumatoria de todos los conocimientos entre la relación caudal-ecología, que se han adquirido a través de décadas de estudios de ríos específicos, aplicando el conocimiento en zonas geográficas tan grandes como un estado, una provincia o una cuenca entera (Arthington, n.d.; Sternberg, 2012).

El marco de trabajo de ELOHA, es una síntesis de una serie de técnicas hidrológicas y ecológicas existentes, que actualmente se están utilizando en diversos grados y que pueden apoyar la gestión integral de caudal regional. En sí, genera relaciones entre la alteración de caudales y las respuestas ecológicas de ríos con diferentes tipos de regímenes hidrológicos. Con ELOHA, no es necesario obtener información hidrológica y biológica detallada para cada río de forma individual (Arthington, n.d.; Sternberg, 2012).

Las relaciones entre la alteración del caudal y las características ecológicas de los diferentes tipos de ríos constituyen el elemento clave para vincular los aspectos hidrológicos, ecológicos y sociales de la evaluación del caudal ambiental. Estas relaciones se basan entre el caudal y los datos ecológicos de toda la región de interés. La descripción del marco ELOHA se presenta de manera escalonada, reconociendo que es probable que varios procesos científicos y sociales procedan simultáneamente y que muchos tengan que repetirse iterativamente (Poff et al., 2010).

ELOHA consta de los siguientes pasos (Poff et al., 2010; Nature Conservancy, 2017):

  1. Construir una base hidrológica a través de datos regionales de hidrogramas fluviales diarios o mensuales que represente las condiciones base (inalteradas) y posteriores al desarrollo (aprovechamiento hídrico) para segmentos de un río, durante un periodo lo suficientemente largo que represente la variabilidad hidrológica. Utilizar modelación hidrológica para extender los periodos de datos fluviales o bien en sitios aforados y para sintetizar los datos de sitios no aforados. Una base hidrológica informa a los manejadores del agua dónde, cuándo y cuánta agua ocurre en todos los cuerpos de agua de una región. Así se pueden caracterizar caudales, clasificar tipos de ríos, caracterizar la posible alteración del caudal y evaluar el estado de los sitios en relación con los estándares de caudal ambiental.

Se debe estimar para cada segmento del río o subcuenca dónde se determinará el caudal ambiental, dónde se han recolectado los datos biológicos y dónde se producirá la alteración significativa del caudal. Sin estos valores o datos, los límites en la alteración del caudal, son muy difíciles de aceptar, medir o hacer cumplir sin la costosa recolección de datos específicos del sitio.

Los componentes básicos de una base hidrológica diaria o mensual, son la simulación hidrológica y la contabilidad del uso del a gua. La simulación hidrológica se utiliza para estimar las condiciones de caudal, mientras que, la contabilidad del uso calcula el impacto sobre las condiciones actuales del caudal. Así, la base hidrológica será precisa si se cuenta con datos exactos de uso del agua (extracción y retorno), por lo que se necesitan de informes precisos y explícitos sobre el uso del agua, como también mejores métodos de estimación de uso. Otros datos que se pueden ingresar son el clima y el uso del suelo.

En aquellos casos donde las características hidrológicas son difíciles de obtener, los modelos de balance hídrico a menudo pueden generar hidrogramas confiables con pocos requerimientos de datos. Con solo datos de precipitación, potencial evapotranspiración y características generalizadas del suelo y el acuífero, se puede emplear el método de Thornthwaite-Mather (TM), que calcula los saldos mensuales del agua, en cuencas relativamente grandes.    

  1. Clasificar los segmentos del río con base en la similitud de régimen de caudal, empleando estadística de caudales ecológicamente relevantes, partiendo de los hidrogramas fluviales base, elaborados en el paso 1. Subclasificar cada segmento según las características geomorfológicas que definan el hábitat físico.

La clasificación del río consiste en extrapolar la comprensión de las condiciones ecohidrológicas en ríos ya estudiados sobre ríos similares pero no estudiados. La razón para clasificar los ríos es con el fin de fortalecer la significancia estadística de las relaciones entre la ecología y el caudal, combinando la información disponible de muchos ríos. Otra razón de la clasificación, es para extender las relaciones ecológicas del caudal de ríos no explotados o utilizados, para definir sus necesidades de caudal ambiental.

La clasificación de los tipos de ríos para ELOHA se distingue de los sistemas de clasificación regional tales como las ecorregiones y las regiones de paisaje hídrico, en que los tipos de río ELOHA no son necesariamente contiguos (geográficamente hablando). Por ejemplo los afluentes de cabecera de un río y un río principal en la misma cuenca pueden ser catalogados de manera diferente. También la clasificación ELOHA, se diferencia en la clasificación de tipo de río, ya que no se base en condiciones naturales, sino a una clasificación de condiciones actuales o futuras de uso.

  1. Calcular la alteración hidrológica de cada tramo del río, expresada como la desviación porcentual de los caudales con condiciones post-desarrollo con respecto a los caudales de condición base, utilizando estadística de caudales que estén íntimamente ligadas con las condiciones ecológicas y que sean factibles de ser empleadas como objetivos de gestión del agua.

  1. Determinar las relaciones caudal-ecología, asociadas a cada tipo de río. Las relaciones son la clave que conecta los procesos hidrológicos, ecológicos y sociales de ELOHA.

ELOHA, sintetiza la base de datos hidrológica y ecológica existente de muchos ríos dentro de una región para generar relaciones de alteración de caudal y respuesta ecológica para diferentes tipos de ríos. Estas relaciones, vinculan las condiciones ecológicas que son difíciles de manejar directamente, a las condiciones de caudal, que pueden ser manejadas a través de estrategias y políticas del uso del agua.

Se debe reunir los datos ecológicos existentes y datos relacionados para cuantificar la relación. Los datos ecológicos para desarrollar la relación caudal-ecología, idealmente son sensitivos a las alteraciones de caudal existentes o propuestas, ser validados con datos de monitoreo y valorados por la sociedad. Entre los datos ecológicos se puede citar: riqueza de especies de invertebrados acuáticos, respuesta del bosque ripario o bien los rasgos de historia natural de los peces.

Varios estudios han realizado análisis estadísticos para aislar la influencia de la alteración del caudal, de otros factores estresantes ambientales y luego para identificar el caudal y las métricas ecológicas que mejor describen la respuesta ecológica a la alteración del caudal. Sin embargo, aunque el análisis de datos es estrictamente exploratorio puede resultar en relaciones estadísticas sólidas. Pero si las métricas utilizadas no son aprobadas por los biólogos y manejadores del agua, entonces los resultados pueden ser ineficaces para apoyar la política de caudal ambiental.

En los sitios con datos limitados se pueden realizar talleres de expertos para facilitar la modelación y análisis estadístico. Incluso en lugares con una base de datos biológica robusta, rara vez los análisis cuantitativos de ecología de caudal representan todos los grupos taxonómicos dependientes del caudal y los procesos ecológicos. Un enfoque holístico requiere una combinación de relaciones cuantitativas y cualitativas para representar los ecosistemas y regímenes naturales de caudal a través de una región o cuenca.

La revisión estructurada de la literatura ecológica, el análisis histórico de caudal y los talleres de expertos pueden generar un consenso científico en torno a relaciones cualitativas de suficiente rigor para cuantificar los criterios de caudal. Así todas las partes interesadas deben entender el proceso y las incertidumbres involucradas en el desarrollo de las relaciones de alteración de caudal y respuesta ecológica, que se utilizarán como base para la implementación de políticas.

El proceso social.

El proceso social de ELOHA es típicamente un esfuerzo de formulación de políticas impulsado por una nueva ley, reglamentación normativa u orientación política. Este proceso casi siempre está dirigido por una autoridad gubernamental ya involucrada con el sector interesado y se conduce bajo los siguientes tres pasos:

  1. Determinar las condiciones ecológicas aceptables para cada tramo o tipo de río según los valores sociales. Esto se logra identificando los valores ecológicos y culturales a ser protegidos o restaurados mediante la gestión del agua.

  2. Elaborar objetivos de caudal ambiental utilizando relaciones entre alteración de caudales y respuestas ecológicas para asociar la condición ecológica deseada con el grado correspondiente de alteración de caudales para el tipo de río correspondiente.

  3. Implementar la gestión de caudales ambientales mediante la incorporación de objetivos de caudal ambiental en el proceso más amplio de planeación hídrica. Se puede utilizar para jerarquizar proyectos de restauración, optimizar la eficiencia de suministro de agua, o para identificar los efectos acumulativos aguas arriba o aguas abajo de las decisiones de concesión.


Figura 3.2 :Diagrama obtenido de www.conservationgateway.org

 

Metodología RANA

El Instituto Costarricense de Electricidad (ICE), desarrolló una metodología para definir lo que denominaron el caudal de compensación para ser aplicada en los proyectos hidroeléctricos que se estaban analizando en su fase de prefactibilidad. El trabajo se realizó en dos fases, la primera entre el año 2003 y 2007 y la segunda fase entre 2013 y 2014.

Según se expone en el informe final (Krasovskaia y Gottschalk 2014), “el principal objetivo de la Fase 1 fue desarrollar una metodología para la estimación del "caudal de compensación", definida como "caudal mínimo aceptable" para el período más importante de menor caudal para la optimización del uso de los recursos hídricos en Costa Rica.

La metodología desarrollada "RANA" es holístico en su carácter e implica el análisis de la información hidrológica, hidráulica, biológica y socio-económica. Ofrece la posibilidad de analizar el impacto de las diferentes alternativas de regulación de las condiciones biológicas y socioeconómicas en cualquier sector del río estudiado o en el río como un todo durante los diferentes meses del período de menor caudal (diciembre-abril).

El proyecto incluyó un control exhaustivo de los datos de escorrentía disponibles, incluyendo las curvas de duración e inspecciones de campo, después de lo cual las estaciones indicadoras se clasificaron de acuerdo con su confiabilidad. Se utilizaron todos los datos diarios de 79 estaciones hidrológicas y 235 estaciones de precipitación para el período 1979-2003, con los registros de observación de más de 10 años. Para la identificación de la red del río, se utilizó un modelo de elevación digital con una resolución de 500x500 m (plataforma IDRISI) y mapas hidrográficos digitalizados, aplicando el software HydroDem.

Se aplicaron métodos de interpolación Hidroestocástico para la interpolación y la estimación de los diferentes descriptores de caudal (caudal medio anual de, varianza y curvas de duración de caudal) en cualquier punto a lo largo del río. Se utilizaron restricciones de balance de hídrico para asegurar la consistencia de los valores interpolados a lo largo del río. El caudal mínimo fue regionalizado aplicando el enfoque de distribución de derivados, lo que permitió la estimación de estos valores en cualquier punto a lo largo de los ríos.

Las demandas biológicas de hábitat se establecieron con la ayuda de un panel de expertos y estudios de campo intensivos. Los expertos proporcionaron una lista de las especies indicadoras y sus demandas de hábitat, mientras que el trabajo de campo se utilizó para la validación. Se elaboró una metodología especial para la investigación de las preferencias de hábitat en el campo como un esfuerzo conjunto entre los biólogos y los hidrólogos. Se vincularon las preferencias de hábitat de las especies indicadoras a la velocidad del flujo y la profundidad utilizando reglas difusas.

La información sobre las demandas socio-económicas de la corriente del río se obtuvo por medio de inventarios de campo y talleres con los actores. Todos los usos del agua de cada sector fueron clasificados de acuerdo a su importancia y un rango de criterios múltiples. La lógica difusa se utiliza para vincular las demandas socio-económicas y los descriptores del caudal del río en una forma similar a las preferencias de hábitat.

El modelado hidráulico permitió estimar las velocidades de flujo y las profundidades para una descarga dada en los sitios específicos a lo largo del río. La vinculación de éstos a las demandas de hábitat permitió estimar el área útil en condiciones de regulación de caudales  naturales y regulados.

El software y la base de datos creados ofrecen una plataforma fácil de usar para probar diferentes escenarios de regulación de caudal flujo en condiciones de  caudal mínimo. El enfoque se demostró tomando como ejemplo los Ríos Savegre y Reventazón (Fig 3.3).


Figura 3.3. Componentes del software de RANA para la estimación del caudal de compensación con enfoque de caudal adaptativo

La metodología RANA se utilizó en la determinación del caudal de compensación para el proyecto hidroeléctrico Reventazón, a partir de la modelación y prueba de escenarios se recomendó un caudal para el tramo crítico y un caudal superior para el tramo de regulación a partir de la restitución, para lo que fue necesario hacer un nuevo diseño de la casa de máquinas y la programación permanente de un aporte de energía por parte de la planta Reventazón al despacho del sistema eléctrico nacional.

Para la fase 2, el objetivo del estudio fue desarrollar una metodología para la determinación de lo que llamaron "el caudal adaptativo". Más precisamente, desarrollar una herramienta para la evaluación de los posibles impactos de los diferentes escenarios de regulación del río en la búsqueda de la mejor solución, para un nivel de riesgo definido, para los espacios ecológicos, sociales y económicos que figuran en el proceso de intercambio con todos los actores titulares. El caudal adaptativo se aplica a todo el año. El producto final no es un valor único de diseño, sino un marco de escenarios de pruebas con el fin de llegar a través de la negociación a un compromiso aceptable entre las necesidades que históricamente fueron vistas como conflictivas.

 

La metodología desarrollada consta de dos partes - REGINA y RANA. La parte REGINA incluye los métodos para la regionalización de los caudales mínimos y máximos, así como el caudal de las curvas de duración, los cuales se utilizan en combinación con los resultados de la parte RANA. La estimación de los caudales máximos y mínimos es un complemento y un mayor desarrollo de los métodos de regionalización aplicados en la Fase 1 del proyecto. Particularmente fue necesario caracterizar las tres categorías de crecientes (llenas) importantes en la evaluación de los caudales ambientales, a saber: activación, mantenimiento y reconfiguración. Esta metodología, basada en métodos de interpolación hidroestocástica, se aplica a Costa Rica como un todo.

 

El objetivo de RANA es identificar las demandas ecológicas y socioeconómicas a lo largo del año. En contraste con REGINA que específicamente necesita estudios de campo y teóricos dirigidos para cada aplicación en el propio sitio.

En la segunda fase, se utilizó la información de estudios realizados en varios lugares a lo largo de los ríos Reventazón, Savegre y Térraba en el marco de los procesos de factibilidad de los proyectos hidroeléctricos propuestos. Estos tres ríos también se utilizaron para la demostración del enfoque REGINA. La vulnerabilidad de los sectores en los ríos también es evaluada desde la perspectiva socioeconómica de RANA.

RANA - REGINA vincula los resultados de la parte  REGINA con los de la parte RANA para evaluar la variación estacional del  área útil para las especies acuáticas y los usos del agua condicionados a los caudales naturales o regulados.

La conectividad entre las pozas y rápidos a lo largo del río y la conectividad del río y la llanura de inundación bajo diferentes escenarios de regulación son también analizados en esta sección. Comparando la relación entre el área útil y la conectividad en cada sector del río con las demandas identificadas en la parte RANA, lo que permite comparar el impacto en diferentes escenarios de regulación.

Para la parte RANA se utilizó  información recolectada en las investigaciones de campo biológicas y socioeconómicas, así como los registros de caudales disponibles en la parte REGINA. El panel de expertos se utilizó como otra herramienta de adquisición de información. Se llevaron a cabo estudios hidráulicos en varios sectores de las tres cuencas de estudio, seleccionadas con base en su importancia para el régimen hidrológico, aspectos ecológicos y socioeconómicos. El impacto de la regulación de caudal para las especies acuáticas fue investigado con base en las preferencias de hábitat de tres grupos indicadores, peces, anfibios y macro invertebrados, según fue sugerido por expertos durante la Fase 1 del Proyecto (Fig 3.4).

 


 

Figura 3.4. Esquema de temas y productos desarrollados para la fase 2 Rana - Regina

 

El estudio presenta un enfoque completo para evaluar los efectos de las diferentes alternativas de regulación de caudal en la vida acuática y las actividades socioeconómicas de la población ribereña a lo largo del año, para facilitar la elección del esquema de regulación a un nivel de menor riesgo. Esto complementa la Fase 1, la cual abordó sólo el período de caudales mínimos. La metodología sigue el concepto de gestión del caudal adaptativo, el cual prevé un seguimiento continuo de los resultados de la decisión elegida y lo aprendido de los nuevos conocimientos. Se elaboraron recomendaciones especiales para asegurar que las investigaciones de campo proporcionen datos adecuados y fiables para utilizar RANA - REGINA”.

IBER

El Modelo IBER es un modelo matemático bidimensional desarrollado por el grupo de Ingeniería del Agua y Medio Ambiente (GEAMA, Universidad de A Coruña) y el Instituto Flumen (Universidad Politécnica de Cataluña, UPC y Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería, CINME). Cabe resaltar que Iber es un software libre, que puede ser utilizado en R.

IBER consta de un módulo hidrodinámico que permite la simulación bidimensional de cauces, un módulo de turbulencia y un módulo de transporte sólido por arrastre de fondo y en suspensión para la cuantificación de procesos de erosión y sedimentación. A través de IBER, también se pueden realizar modelos de Idoneidad del Hábitat Físico (IHF) y de calidad del agua.

Para los modelos IHF primeramente se debe realizar un levantamiento topográfico y de batimetría de un tramo del río. Posteriormente, se realizan aforos de caudal y se generan perfiles verticales de velocidad tridimensional; a la vez, se realiza la distribución espacial de los sustratos en el tramo evaluado. Seguidamente, se realizan las curvas de preferencia de hábitat o bien las reglas de preferencia de hábitat del o los organismos clave, para así generar el modelo de simulación del hábitat donde se obtiene idoneidad versus el caudal.


Figura 3.5. Diagrama para obtener el modelo de simulación del hábitat. Adquirido de Bermúdez et al. (2012).

Las metodologías  para calcular caudal ambiental requieren algunas veces de sistemas de modelaje, de simulación de hábitat y de índices idoneidad, preferencia ect. En el siguiente cuadro 3.2.3 y cuadro 3.2.4 se hace referencias algunos modelos y sus aplicaciones y a las clasificaciones e insumos de dichas metodologías.

 

Cuadro 3.2.3. Modelos y aplicaciones que se utilizan en algunas metodologías para determinar caudal ambiental.

Modelo Descripción Aplicación
PHABSIN Consta de dos componentes, el primero hace referencia al comportamiento del cauce y el segundo sobre la necesidad de hábitat de las especies que se consideran Simulación de hábitat se utiliza en el IFIM
Índice de idoneidad Curvas que describen la idoneidad de una variables biológica de determinada especie y la integra a un modelo hidráulico En el IBER
RANA – MACHACA                   Curvas de preferencia de hábitat de una especie y las relaciona con diferentes escenarios de cauda RANA

 

Cuadro 3.2.4. Tipo de metodología e insumos que se requieren para aplicarlas en las zonas de estudio.

Métodos para calcular caudal ambiental  
Tipo Metodología Insumo
Hidrológico Por un periodo no menor de un año, algunas metodologías requieren datos de más de 5 año
Hidráulico Mediciones de características físicas del cauce: Velocidad, perímetro mojado, profundidad, sustrato
Hidrobiológico Geomorfológica, hidráulica, hídrica, calidad de agua en términos de nitratos, biomasa (algunos métodos en particular), temperatura, registro de caudales, estudio de vegetación ribereña, composición del suelo, batimetría, velocidad, planos de inundación, estudio de especies bentónica, peces o cualquier otros grupo faunístico que se considera afectado
Holístico Identificación de usos del recurso hídrico (Cultural, socioeconómicos, etc.), jerarquía de usos e importancia. Definición restricciones socioeconómica

 

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