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1. INTRODUCCIÓN
Para una correcta planificación del recurso hídrico, es indispensable analizar el comportamiento del ciclo hidrológico, el cual gobierna la presencia de agua en una determinada región y está condicionado por factores como la latitud, altitud, las actividades humanas, entre otros. 1
Ha sido evidente, a lo largo de los años, que el ciclo hidrológico de las cuencas se ha transformado mundialmente debido al cambio climático y a la actividad humana, siendo ésta última la que más ha aumentado la demanda del recurso hídrico, por el rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología, así como por la expansión de la escala económica 2.
El equilibrio del ciclo hidrológico se ve afectado por el cambio de uso del suelo, que responde al aumento de la población y a la necesidad de mayor productividad (agrícola, comercial, entre otros) y de requerimientos de vivienda. Lo anterior conlleva a la devastación de los bosques y a la degradación en los suelos, lo que afecta el balance hídrico y propició cambios en él, como el aumento de la escorrentía superficial y su descarga en los ríos, debido a la disminución del tiempo de concentración 3
El cambio del uso del suelo, especialmente en zonas urbanizadas, donde las superficies naturales pasan a ser impermeables, tienen un impacto significativo y más importante en la escorrentía superficial que en las precipitaciones que se puedan presentar en una cuenca, es por tanto necesario planificar el uso del suelo en las cuencas hidrográficas 4,5,6. Sin embargo, los parámetros que intervienen en el ciclo hidrológico tienen un comportamiento muy variado y la ocurrencia de algunos de ellos están en función de factores climatológicos, fisiográficos y antrópicos de las distintas regiones. Existen regiones donde se presenta un desequilibrio en el suceso de las precipitaciones, y por lo tanto, se tienen períodos secos con poca o nula precipitación y períodos de excesos. Esta variabilidad ocasiona dificultades que van desde la falta del recurso para atender los requerimientos básicos del hombre para su sostenibilidad, hasta eventos catastróficos como inundaciones provocadas por avenidas. En consecuencia, es necesario contar con esquemas de evaluación adecuados y confiables para hacer frente a estos desafíos.
En la actualidad, la seguridad del recurso hídrico, aún no definida claramente, tiene implicaciones del orden social, económico y en la seguridad ecológica, entre otros aspectos. Dado lo anterior es importante encontrar un equilibrio del recurso (análisis de la oferta y la demanda) que permita evaluar la seguridad del agua 2.
La oferta hídrica en una zona viene condicionada por la oferta y la demanda de agua y se estudia con el fin de cumplir con sus necesidades. Así mismo, la oferta puede estar condicionada por el área donde es requerido el recurso, si es en escala pequeña (local), pero puede ser satisfecha si se estudia a gran escala (regional). Se recalca entonces, que la escasez de agua se convierte en un asunto local, mientras que la demanda tiene una implicación mayor, y se debe considerar toda la cuenca 7. En el estudio de la demanda de agua se debe tener en cuenta factores como el consumo agrícola de la región y la conducta de consumo de los habitantes de la zona de estudio 8.
A través de un balance hídrico, se puede planificar el recurso con el fin de responder a la creciente demanda actual y futura del mismo. El Balance Hídrico es también de gran utilidad en muchos campos de la investigación. Por ejemplo, el conocimiento del déficit de humedad es primordial para comprender la factibilidad de irrigación, ya que provee información sobre el volumen total de agua necesaria en cualquier época del año y entrega un valor importante sobre la sequía. La información sobre los excedentes de agua y la cantidad por la cual la precipitación excede las necesidades de humedad cuando el suelo está en su capacidad de campo, es fundamental en todo estudio hidrológico, lo cual proporciona una adecuada planificación y gestión de los recursos hídricos, de tal forma que el desarrollo socioeconómico tenga como base el uso racional y armónico de sus recursos naturales.
Estudios previos han demostrado que el aumento de las precipitaciones en algunas zonas y el calentamiento global (cambio climático), son factores importantes a considerar en el análisis de la escorrentía, como es el caso de la cuenca del río Manasi, localizado al suroeste de la Cuenca Junggar en Xinjiang (República Popular China). El estudio concluyó que es de gran importancia hacer un uso racional y sostenible del recurso hídrico, así como una correcta planificación integral del mismo 9.
El hombre durante años ha utilizado diversas técnicas para recoger agua en las zonas áridas y semiáridas para permitir la conservación del recurso y aprovecharla para consumo humano, el riego de cultivos o para abrevadero de animales. Ésta recolección de agua comienza a ser imprescindible debido a la escasez que se viene presentado por los proceso de desertificación 10.
En ciertas épocas del año, regiones del departamento de Córdoba, sufren por la dificultad de obtener agua, a pesar de contar con fuentes hídricas diversas como pozos, quebradas, ríos y lagunas, entre otros. La mala planificación del recurso hace que estas poblaciones sufran escasez hídrica o en el sentido opuesto, toleren desplazamientos forzados por inundación. Esta situación se convierte en un problema en el ámbito de la salud, de lo socioeconómico, lo político y lo ambiental.
Colombia, a pesar de ser rico en recursos hídricos, estos no se encuentran distribuidos homogéneamente, y el problema se acentúa por la falta de gestión 11, como el caso de la microcuenca seleccionada para este estudio, que representa la problemática generalizada del recurso hídrico en la zona rural del departamento de Córdoba.
En este trabajo, se aplicó una metodología de planificación del recurso hídrico superficial para una pequeña cuenca hidrográfica, con el fin de plantear un balance hídrico entre la oferta y la demanda, que permita garantizar la sostenibilidad del recurso a lo largo del año.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1 Delimitación del área de estudio
La microcuenca Aguas Blancas pertenece a la cuenca del río Sinú y está esencialmente constituidas por pastos manejados. Está localizada en la zona rural del municipio de Montería (ver figura 1). Dentro de los principales corregimientos aledaños, se encuentran Aguas Claras y Santa Clara; y la elevación de la cuenca con respecto al nivel del mar varía desde un mínimo de 45 m.s.n.m. hasta un máximo de 180 m.s.n.m. 12.
2.2 Recopilación de datos
La información para el proyecto fue adquirida del Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM) y del Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC). Del IDEAM se obtuvo las series de tiempo de las diferentes variables climatológicas, tales como precipitación, evaporación, escurrimiento, temperatura, entre otros, mientras que del IGAC, se obtuvo la cartografía básica en escala 1:25.000. Para el modelo de elevación, cobertura vegetal, capa de suelo y capa de aguas se usó imágenes satelitales descargadas de Google Earth.
2.3 Análisis estadístico de los datos
Las estaciones meteorológicas fueron seleccionadas teniendo en cuenta su influencia sobre la cuenca analizada (Universidad de Córdoba, Aeropuerto Los Garzones, Carrillo, Montería, Santa Lucía, Cristo Rey y Canalete). A cada una de estas estaciones, para el parámetro precipitación, se les realizó un análisis estadístico y probabilístico mes a mes, mientras que el hietograma de precipitación de diseño fue calculado mediante el uso del método del bloque alterno desarrollado a partir de las curvas Intensidad- Duración-Frecuencia (IDF) 13
2.4 Cartografía
La cartografía adquirida en archivos digitales fue exportada a un sistema de información geográfica, utilizando el software Arc-GIS 10.1 y convertida a formato Shapefile. Con las herramientas de este programa se obtuvo la representación gráfica de la cuenca, el cálculo de las características fisiográficas y la precipitación media mensual por interpolación, utilizando los métodos de Thiessen y de las Isoyetas 14. El software Arc-GIS 10.1 ofrece un tratamiento objetivo de los datos, una calibración del modelo generado y un análisis de los escenarios posibles, convirtiéndose en una herramienta importante de modelización hidrológica de cuencas 15.
2.5 Escurrimiento superficial
Para el cálculo del escurrimiento superficial, se utilizó el método del Soil Conservation Service - SCS, que es usado para determinar los parámetros involucrados en el Balance hídrico, especialmente aquellos relacio nados con la oferta como son la escorrentía, la recarga de acuíferos, caudal, infiltración, entre otros 16.
El SCS establece un Número de Curva (CN), el cual es utilizado ampliamente para identificar la escorrentía media mensual del sitio en estudio, la recarga del acuífero y el contenido de humedad del suelo 17,16. El CN considera la relación existente entre la cobertura del suelo y la respuesta que se presenta en la escorrentía en una cuenca durante un evento de lluvia, que es afectado por la condición de humedad antecedente (AMC): condición seca, normal y húmeda 18. El valor de CN va de cero (0) a cien (100), donde 0 implica un área sin escurrimiento y 100 es una zona que genera escorrentía, y por lo tanto se considera impermeable 19.
Para realizar la simulación del proceso de precipitación-escurrimiento, se utilizó el Hydrologic Engineering Center's Hydrologic Modeling System (HEC - HMS), el cual utiliza el método de curva para realizar la distribución espacial de los cálculos de infiltración 20.
2.6 Demanda del recurso para diferentes usos
Con el fin de obtener un cálculo aproximado de la demanda hídrica, se utilizó la metodología avalada por el Ministerio de Ambiente 21, que consiste en estimar los volúmenes de producción sectorial y compararlos con los factores de consumos de agua por tipo de producto o servicio, utilizando (1):
Donde, DT es la demanda total de agua; Dud es la demanda de agua para uso doméstico; DUI, la demanda de agua para uso industrial (que en este caso es cero por no existir industrias); DUS, demanda de agua para uso del sector servicios (cero, por no presentarse este uso); DUA, demanda de agua para uso agrícola y DUP es la demanda de agua para uso pecuario.
Para calcular DUD, se seleccionó la comunidad más importante de la cuenca, el corregimiento de Santa Clara. Con el fin de establecer el número de habitantes a abastecer, sus hábitos de recolección de agua para consumo y la disposición de las aguas residuales domésticas, se desarrolló y aplicó una encuesta, que arrojó una población de 530 personas, distribuidas en 127 viviendas.
Una vez obtenido el dato poblacional, se determinó el consumo de agua para Santa Clara utilizando la metodología establecida por la resolución 1096 de 2000 22 y sus normas modificatorias.
La población futura se calculó usando los métodos aritmético, geométrico y exponencial con una tasa de crecimiento de 0.01%, recomendada por el Departamento Administrativo Nacional de Estadística - DANE, para la zona rural del departamento de Córdoba y municipio de Montería. Tomando como referencia la Resolución 2320 de 2009 se utilizó una dotación neta máxima de 100 l/hab/día, y a partir de (2) se determinó la dotación bruta:
Considerando un porcentaje de pérdidas del 25%, se obtiene una dotación bruta de 133,331/hab/día.
Con la población proyectada, se determinaron los consumos medios diarios (Qmd), los máximos diarios (QMD) y los máximos horarios (QMH), y con ellos, los caudales de diseño (Q) en L/s.
La demanda para uso agrícola se calculó como 23:
Donde P es la precipitación; ETP, evapotranspiración Fuente: Elaboración propia
potencial; Kc, coeficiente de usos de agua del cultivo, según la FAO.
En cuanto al uso pecuario (DUP) siguiendo la metodología del mismo autor 23, se calculó con (4):
Donde Vpai, es el volumen de producción por tipo de animal industrial y Fca, Factor de consumo según producción animal.
2.7 Índice de escasez
El índice de escasez de agua de la cuenca, se determinó con la ecuación (5):
Donde Ie es el índice de escasez (%); D, demanda de agua (m3) y On, Oferta hídrica superficial neta (m3).
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 Climatología
De las estaciones meteorológicas seleccionadas se rea lizó el análisis estadístico y probabilístico de las preci pitaciones mes a mes. En la figura 2 se muestra el aná lisis de los valores máximos de la precipitación para la estación Montería, durante el mes de julio, tomando los valores registrados durante todos los años.
Se observó que en el comportamiento de esta variable, predominan los valores de 123 mm a 165 mm de preci pitación (ver figura 2).
3.2 Cartografía
La información climatológica, ya homogenizada, se correlacionó con la cartografía a través del Arc-GIS 10.1 y se obtuvo una representación gráfica de la cuenca, que se muestra en la figura 3.
Los resultados del cálculo de las características fisiográficas y la precipitación media mensual por interpolación, utilizando los métodos de Thiessen y de las Isoyetas, se muestra en la tabla 1.
3.3 Determinación del escurrimiento superficial mediante el método del Soil Conservation Service de los Estados Unidos de América, SCS
Con los softwares Arc-GIS 10.1 y HEC HMS, se simuló la cuenca, subdividiéndola en siete sub cuencas con el fin de obtener resultados más precisos. Los suelos se clasificaron como Arenas (32%), Limos (31,4%) y arci llas (35,98%), de acuerdo con las visitas de campo rea lizadas durante el desarrollo del proyecto. Con los ma pas de cobertura vegetal recopilados, se definieron los números de curvas (CN) y la abstracción inicial para cada una de las sub cuencas, como se puede observar en la figura 4 y en la tabla 2.
El modelo hidrológico se desarrolló a partir de la siguiente información: a) Series de tiempo del modelo meteorológico; b) características físicas de la cuenca creando y editando un modelo de cuenca; c) definición de las especificaciones de control; d) correlación entre el modelo de cuenca y el modelo meteorológico y las especificaciones de control para crear la simulación.
Tabla 2 Selección de los CN para las sub-cuencas.
| Sub-cuenca | CN | Ia (mm) |
|---|---|---|
| 1 | 82 | 11,151 |
| 2 | 80 | 12,700 |
| 3 | 79 | 13,504 |
| 4 | 79 | 13,504 |
| 5 | 78 | 14,328 |
| 6 | 80 | 12,700 |
| 7 | 80 | 12,700 |
Fuente: Elaboración propia
Con el modelo de elevaciones (MDE), del Arc-GIS 10.1, se calcularon los tiempos de concentración de las siete sub cuencas y de los tres tramos en que se dividió la quebrada, como se muestra en la tabla 3. Con esta información se definieron los gastos de salida mensuales de las diferentes sub-cuencas, y por consiguiente, de toda la cuenca estudiada. Estos gastos constituyen la oferta hídrica, es decir, la cantidad de agua que puede producir la cuenca para atender los diferentes requerimientos y demandas de las poblaciones localizadas en el área de estudio.
De acuerdo con los resultados de la tabla 2, el CN que arrojó el método SCS, en promedio es de 80 curvas, lo que indica que hay una buena escorrentía en la cuenca, proporcional con los datos de caudales obtenidos.
En la figura 5, se muestra el esquema de salida de los escurrimientos que se presentan en la cuenca hidrográfica Aguas Blancas.
En la tabla 4 se presentan los datos de salida de la precipitación efectiva mensual, donde se puede identificar los meses con mayor pluviosidad, que constituyen el período de lluvias y permiten realizar el análisis de la cantidad de agua disponible para satisfacer las necesidades básicas de la región.
Tabla 4 Precipitación de efectiva total de salida en mm.
| Salida Ptotal t, mm | |
|---|---|
| Enero | 0,21 |
| Febrero | 0,00 |
| Marzo | 3,74 |
| Abril | 59,46 |
| Mayo | 120,58 |
| Junio | 96,14 |
| Julio | 105,28 |
| Agosto | 123,51 |
| Septiembre | 118,94 |
| Octubre | 102,91 |
| Noviembre | 73,66 |
| Diciembre | 13,08 |
Fuente: Elaboración propia
Con las herramientas del Arc-GIS 10.1, la precipitación efectiva es transformada en escurrimiento, de acuerdo a las ecuaciones del SCS. En la figura 6, se puede observar los gastos mensuales. De esta manera, se determina la disponibilidad u oferta hídrica mensual de la cuenca, que al contrastarla con la demanda para los diferentes usos, permite estimar los volúmenes mensuales de almacenamiento.
Para este caso en particular, por ejemplo, se obtuvo una precipitación promedio anual multianual que varía en el rango de los 1272 a 1664 mm y promedio mensual multianual de 37 mm, con un ciclo de verano o de sequía que se inicia en el mes de diciembre y finaliza en el mes de marzo y el otro ciclo de lluvias que se inicia en el mes de abril y finaliza en el mes de noviembre. La humedad relativa promedio mensual multianual es de 83%, que corresponde a una zona muy húmeda, típica del valle del Sinú. La temperatura promedio mensual multianual, varía en un rango desde una mínima de 20.6°C hasta una máxima de 34.8, con promedio mensual multianual de 32.6°C.
Para un período de retorno (Tr), igual a 20 años, típico para el diseño de pequeñas obras hidráulicas, la Intensidad de la precipitación, varía desde 210 mm/h con duración de 5 minutos hasta de 50 mm/h en 180 minutos. La evapotranspiración mensual, calculada por el método de García - López, es del orden de los 48,95 mm, presentando como valor máximo 54,33 mm correspondiente al mes de febrero y 45,49 como valor mínimo en el mes de noviembre.
3.4 Demanda del recurso para diferentes usos
Con la población proyectada y teniendo en cuenta lo recomendado por el RAS, se realizaron los cálculos, que se muestran en la tabla 5.
Para el cálculo de la demanda de agua para uso agrícola (DUA) el valor de precipitación utilizado fue el promedio multianual (1468mm), la evapotranspiración potencial (1460mm en promedio), el coeficiente de usos de agua del cultivo fue de 0,8 (ponderado para cultivos de plátano, hortalizas y pasto) y el área utilizada para estos cultivos de 7360 Ha. Teniendo en cuenta lo anterior y reemplazando estos valores en (3), se obtuvo un DUA de 107.456 Mm3/año.
En el cómputo de la demanda de agua para uso pecuario (D), se verificó en campo que por hectárea hay 2 animales vacunos. Luego, para un total de 2676 Ha y con un factor de consumo de 22,75 [21], se obtuvo un DUP de 125.580 m3/año.
Por tanto, la demanda total calculada (DT), usando (1) fue de 2.348.385 m3
3.5 Índice de escasez
En la cuenca Aguas Blancas, el índice de escasez fue de 0,007% y según el Estudio Nacional del Agua, esta cuenca se ubica dentro del rango de escasez no significativa 24. Por otra parte, el IDEAM clasificó como zona de disponibilidad normal de agua al departamento de Córdoba, en particular, la Cuenca del río Sinú.
3.6 Comparación entre oferta y demanda para es timar volumen de almacenamiento
Para el cálculo de la oferta hídrica se utilizó el método relación lluvia - escorrentía superficial recomendada por el Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible. Esta metodología es usada para determinar la oferta hídrica para cuencas que tengan menos de 250 Km2 y no se encuentren instrumentadas, como es el caso de la cuenca en estudio 21.
Una vez definido los escurrimientos mensuales de la quebrada Agua Blancas, se procedió a confrontarlos con la demanda del recurso, con el objeto de definir el volumen de almacenamiento útil que debe ser almacenado para que el recurso sea sostenible en todo tiempo. En la tabla 6, se puede observar que la demanda proyectada a 25 años (4.941/s), es inferior a los escurrimientos mensuales, con excepción del mes de febrero, por consiguiente, se requiere de un volumen mínimo mensual de almacenamiento de 12.804,5 m3 para demanda de uso doméstico, adicionando los demás usos, sería un valor de 195.698,75 m3.
El volumen mínimo calculado debe mayorarse para cubrir el volumen evaporado, el cual se puede estimar de la siguiente forma: la evaporación diaria en la región es aproximadamente de 5 mm 25, que multiplicado por una hectárea y durante un período de 30 días, equivaldría a 1500 m3 por mes. Este volumen debe adicionarse al volumen mínimo de almacenamiento.
Todo este procedimiento, corresponde a los pasos metodológicos que se deben desarrollar con el fin de planificar la disponibilidad del recurso para sus diferentes usos.
4. CONCLUSIONES
Una micro cuenca bien instrumentada y con más de 25 años de registros como la seleccionada, permite caracterizar la climatología y por consiguiente realizar análisis útiles para la planificación del recurso hídrico.
Correlacionando la información climatológica con la información cartográfica, mediante herramientas como los sistemas de información geográfica y programas computacionales, es posible obtener diseños de pequeñas obras hidráulicas confiables para cosechas de agua, especialmente en zonas rurales, donde la escasez del recurso es determinante para las actividades económicas de la población y para satisfacer sus necesidades básicas.
Los resultados descritos, demuestran que es posible almacenar los excesos de agua en el período lluvioso para atender los requerimientos en el período seco y de esta forma, garantizar que el recurso sea sostenible en toda época del año, particularmente en las zonas rurales.
La caracterización efectuada en esta pequeña cuenca indica que el recurso hídrico es suficiente para atender la demanda de los usos doméstico, agrícola y pecuario actual y futuro de la población asentada en el área de influencia, ya que los aportes mensuales superan ampliamente la demanda.
Es recomendable considerar en el análisis de la oferta hídrica los componentes y procesos que intervienen en el ciclo hidrológico y en un contexto temporal más prolongado y una mayor densidad de estaciones hidrometeorológicas que posibiliten analizar la variabilidad climática con más detalle, teniendo en cuenta los fenómenos climatológicos del niño y de la niña (cambio climático). La demanda hídrica debe ser evaluada en su totalidad y debe tener en cuenta los usos posibles para analizar su regulación, ya que de lo contrario, la planificación del recurso hídrico sería incompleta.
