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INVESTIGACIN DE FLUJO BASE EN LA CUENCA MONTAOSA

DEL RO DE ORO, SANTANDER

1. CONGRESO NACIONAL DE LA FACULTAD DE INGENIERIAS

FISICOMECNICAS Bucaramanga, 14 al 16 de Noviembre de 2012

INVESTIGACIN DE FLUJO BASE EN LA CUENCA MONTAOSA

DEL RO DE ORO, SANTANDER

GMEZ ISIDRO Sully*, GMEZ MOGOLLN Luz Adriana**, GMEZ GARCA Derly

Estefanny, SERRANO SANTIAGO Adriana***

Universidad Industrial de Santander, Cr 27 Cll 9 Ciudad Universitaria

Escuela de Ingeniera Civil

Investigadora *, Estudiante de Ingeniera Civil**, Estudiante de Ingeniera Civil , Estudiante de Maestra***

sullygomez@gmail.com*, adriianagmz@gmail.com**, derlyegomezg@gmail.com,

aserranosa@hotmail.com***

RESUMEN

El flujo base en ros es aportado por los acuferos en contacto y es el que mantiene el flujo durante pocas de

verano, por tal razn, es importante estudiar y conocer el comportamiento del flujo en el ro en pocas secas,

mediante el anlisis de la curva de recesin.

Aunque tradicionalmente la curva de recesin se interpreta matemticamente como una funcin exponencial

decreciente de tipo lineal, en las cuencas montaosas que tienen acuferos en rocas fracturadas, las curvas de

recesin, por lo general, no presentan este tipo de comportamiento.

Durante este trabajo se desarroll un programa, con el cual es posible separar el flujo base de un rio por

medio de algoritmos numricos mediante el ajuste de los diferentes coeficientes de estas ecuaciones, lo que a

su vez permite identificar e interpretar la no linealidad del flujo entre el ro y el acufero, permitiendo conocer

cual es la parte del flujo del ro que es aportada por los acuferos y cual se convierte en escorrenta directa.

Con este resultado se puede estimar un caudal seguro para diseo de acueductos en pocas secas sin afectar el

desarrollo biolgico de la cuenca.

PALABRAS CLAVE: Cuenca del Ro de Oro, Recesin, No Linealidad, Flujo Subterrneo.

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INTRODUCCIN

A consecuencia de variaciones climticas a gran escala como el fenmeno del nio, identificar que parte de

flujo es escorrenta directa y cual es aportado por fuentes subterrneas a travs de los acuferos en contacto, ha

adquirido importancia, ya que el flujo base es el que mantiene el caudal en pocas de verano y representa una

reserva importante del recurso hdrico.

En el caso particular de la cuenca alta del Ro de Oro, el comportamiento del agua subterrnea se ve afectada

por factores como la heterogeneidad del suelo, la presencia de diversas formaciones geolgicas y

morfolgicas, que se pueden probar al analizar la curva maestra de recesin (CMR), grfica caracterstica de

las recesiones de flujo, ya que da una percepcin de la capacidad de almacenamiento y la velocidad de

respuesta de la cuenca, adems de obtener la constante de recesin que se requiere en la aplicacin de

algunos algoritmos numricos para la separacin de flujo base.

Una vez realizado este trabajo se tendrn las herramientas para estimar la capacidad fija del recurso con que

se cuenta en pocas de no lluvia, siendo til en estudios de proyectos tales como construccin de embalses y

bocatomas, as mismo, demostrar el comportamiento no lineal del flujo entre el ro y el acufero en la zona de

anlisis.

CONCEPTUALIZACION

Se exponen los conceptos bsicos de los algoritmos numricos basados en curvas de recesin, los cuales

fueron utilizados para la separacin de flujo base en la cuenca alta del rio de oro.

Algoritmos Numricos Basados En Curvas De Recesin

Estos mtodos estn basados en la reproduccin de seales de alta y baja frecuencia representando el flujo

superficial y subterrneo respectivamente, utilizando el hidrograma. A su vez, permite realizar la separacin

de los componentes del hidrograma en un periodo largo y continuo.

Hidrograma y Componentes Del Flujo En El Ro

El Hidrograma es una grfica que representa la variacin de caudal en un ro a travs del tiempo, la forma de

ste tendr caractersticas diferentes en funcin de parmetros fsicos de la cuenca como la geomorfologa,

tipo de cobertura, uso del suelo, la geologa y las formaciones acuferas en contacto con el ro.

Fig 1: Hidrograma y sus componentes

A pesar que su forma vara con cada evento de lluvia se pueden observar los tres componentes importantes

que conforman el hidrograma: El flujo superficial o escorrenta directa el cul llega ms rpido hasta la salida

de la cuenca [1],El flujo subsuperficial el cul viaja paralelamente a la superficie del suelo y su velocidad de

salida de flujo en la cuenca vara segn la permeabilidad del suelo y El flujo base o subterrneo que de

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manera ms lenta llega hasta la salida de la cuenca, su volumen y velocidad de respuesta dependen de las

caractersticas fsicas de los acuferos en contacto con el ro.

Varios autores han hecho la recopilacin de los diferentes algoritmos de separacin como Chapman (1999),

Chapman & Maxwell (1996) y Brodie & Hostetler (2005), entre los cuales se encuentran:

Algoritmo de un parmetro.

Lyne y Hollick (1979) consideran que la forma del filtro implica que el flujo base se mantiene constante

cuando no se presenta escorrenta directa. [2]

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Donde ( ) y ( ) son el flujo base y escorrenta directa, respectivamente, en el intervalo de tiempo , y el parmetro es la constante de recesin durante los periodos sin escorrenta directa, en unidades de [T-1], ocasionando que el flujo base adopte la forma del hidrograma. El caudal total es la suma del flujo base y la escorrenta directa , por lo tanto se obtiene la siguiente forma del algoritmo de recesin:

( )

( )

( ) ( )

( ) ( )

Algoritmo de dos parmetros de Boughton (1993).

[3] Proporciona mayor flexibilidad al introducir un segundo parmetro , en lugar de ( ), se ha recomendado que el valor de este parmetro sea seleccionado basado en la inspeccin de la forma del flujo al

final de la escorrenta, particularmente para grandes eventos (Chapman y Maxwell, 1996.

( )

( )

( ) ( )

( ) ( )

Algoritmo de tres parmetros, Mtodo de IHACRES (1993).

[4] Se basa en que el exceso de lluvia es dividido en componentes lento y rpido, nombrados y ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) Donde y son los parmetros del algoritmo y los sufijos y se refieren a la respuesta del flujo, rpido y lento respectivamente, cabe notar que son negativos y describen la tasa de decrecimiento del

hidrograma mediante una unidad de entrada de exceso de lluvias. Los parmetros definen el pico del componente del hidrograma. (Jakeman et al. 1993). [5]

( )

( )

[ ( ) ( )] ( )

Algoritmo de Nathan y McMahon.

[6] Esta tcnica no tiene una base fsica real, sin embargo, proporciona una estimacin objetiva y repetible de

un ndice de flujo base que es fcilmente automatizado. [7]

( ) ( )

Donde es la escorrenta superficial filtrada (respuesta rpida) en el paso de tiempo t, es el caudal original y es el parmetro de filtro para el cual se recomienda un valor de 0.925 para datos diarios.

( ) Cabe resaltar que la componente de flujo base no puede ser mayor que el flujo total ni menor que cero y el

coeficiente est relacionado con la forma del hidrograma.

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Algoritmo de Smakhtin & Watkins.

[8] Este algoritmo parte del filtro descrito por Nathan y McMahon (1990), encontrando as la componente de

escorrenta superficial (respuesta rpida) y hallando el flujo base. (Como se muestra en la Ec. 7) de la

diferencia entre el flujo total y el flujo obtenido por la ecuacin.

( )( ) ( )

METODOLOGA Y ZONA DE ESTUDIO

Como primer paso para realizar la separacin de flujo base es importante construir la curva maestra de

recesin [9] que permita identificar si se presenta un comportamiento lineal o no de los caudales base del ro,

y as mismo, hallar las constantes de recesin medias, para toda la serie de datos trabajados, que se utilizarn

en los algoritmos de uno y dos parmetros como coeficiente de entrada.

La separacin de flujo base se realizar utilizando los datos de la estacin Conquistador Alto [10] ubicada en

la subcuenca del Ro de Oro Alto, que hace parte de la cuenca superior del ro Lebrija, la cual, presenta gran

variedad en su composicin litolgica, como zonas crsticas en su parte alta, que por efecto de la lluvia, ha

generado la aparicin de conductos que facilitan el transporte de agua hasta la partes ms bajas, en la parte

media, presenta formaciones que funcionan como esponjas retenedoras de humedad que favorecen el

almacenamiento de agua subterrnea. As mismo, presenta diversidad en la distribucin de las lluvias,

caractersticas que llevan a pensar en un comportamiento no lineal de la relacin almacenamiento-descarga de

agua subterrnea.

Se tomaron muestras cada tres minutos desde Octubre del 2008 hasta Marzo del 2011. A continuacin se

encuentran registradas las pocas de recesin ms pronunciadas utilizadas en el anlisis de separacin.

Tabla 1: pocas de recesin.

Periodo Duracin aprox. Observaciones

29/11/2008 al 14/02/2009 80 das Solo se presentaron pequeas lluvias.

24/06/2009 al 30/07/2009 38 das Solo se presentaron pequeas lluvias.

18/11/2009 al 16/03/2010 120 das

Aunque se presentaban pequeas lluvias, estas no

tuvieron un gran efecto en el caudal, por lo tanto es un

tiempo bastante considerable y crtico

20/12/2010 al 22/02/2011 60 das Fue una recesin corta debido al fenmeno de la nia.

Los conceptos tratados anteriormente permitieron obtener resultados de separacin de flujo base utilizando la

totalidad de los datos diarios promedios obtenidos de la estacin Conquistador Alto

RESULTADOS DE LA SEPARACIN DE FLUJO BASE EN LA CUENCA DEL RIO DE ORO

Inicialmente mediante la curva maestra de recesin se obtuvo la constante de recesin k que segn estudios realizados [11], fsicamente, es normal que en este tipo de cuencas de montaa se presenten dos o

ms constantes de recesin diferentes para una misma curva maestra, debido a que las recesiones son no-

lineales, y no siguen un valor simple que relacione el almacenamiento y la salida del flujo, probablemente por

la presencia de diferentes tipos de acuferos, principalmente en roca fracturada, formaciones crsticas y

algunos en depsitos aluviales, causando un cambio en el comportamiento de la recesin.

En el caso de la cuenca alta del Ro de Oro Alto, estudios realizados [12], han indicado que el caudal base se

ve afectado por aportes subterrneos de otras cuencas, siendo esto uno de los factores causantes de la no

linealidad en la cuenca. Todos los algoritmos se aplican a la totalidad de los datos diarios promedio y se

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ajustan hasta que la separacin de flujo base en la curva de recesin se aproxime al hidrograma, como se

muestra a continuacin en la Fig 2.

( ) ( )

( ) ( )

( )

Fig 2: Separacin de Flujo Base por algoritmos numricos, (a)Algoritmo de un parmetro, (b)Algoritmo de

dos parmetros, (c)Algoritmo de tres parmetros, (d)Algoritmo de un Nathan & McMahon , (a)Algoritmo de

Smakhtin & Watkins.

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ANLISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES

La separacin con el algoritmo de un parmetro, no es apropiado, ya que present un porcentaje de flujo base

muy bajo (50%), [13] ya que este modelo considera un comportamiento lineal de la curva de recesin y esta

cuenca tiene diferentes tipos de acuferos, principalmente en roca fracturada, otros crsticos y algunos

acuferos en depsitos aluviales intercomunicados entre s. Al aplicar el algoritmo de dos parmetros de Boughton, se obtuvo un 72% de flujo base, teniendo un mejor

ajuste que el algoritmo de un parmetro, debido a la flexibilidad que le da la adicin de un segundo

coeficiente (C) esta separacin mostr picos elevados, es decir, tiene en cuenta la respuesta inmediata de los

acuferos. Sin embargo, en la separacin mediante el algoritmo de tres parmetros, modelo de IHACRES, se

logr el ajuste deseado, igualndose el caudal base al caudal total en eventos de recesin, arrojando un

porcentaje de flujo base del 81%.

Para los algoritmos de Nathan & McMahon y Smakhtin con un porcentaje de flujo base de 74% y 79%

respectivamente se apreci un ajuste poco confiable en los tramos de recesin, ya que para el primer

algoritmo en los eventos de pequea magnitud no se recargan los reservorios, mientras que para el segundo

algoritmo, el caudal base aumenta demasiado, llegando incluso a igualarse a la escorrenta directa lo cual no

es posible, sabiendo que en cualquier evento de precipitacin se presenta flujo superficial.

Finalmente partiendo de la recesin ms fuerte registrada, de noviembre de 2009 a marzo de 2010, alrededor

de 120 das, se estim el caudal aproximado para un evento extremo de cinco (5) meses, utilizando la CMR

ajustada mediante la ecuacin de Wittengberg, [14] arrojando como resultado 0,59 m3/s, lo cual reafirma la

calidad de almacenamiento de la cuenca alta del Ro de Oro, ya que supera el caudal promedio de

funcionamiento de la planta de potabilizacin la Colina, de la Empresa piedecuestana de servicios pblicos

E.S.P. de 0,31 m3/s.

REFERENCIAS

1. APARICIO, Francisco. Fundamentos de Hidrologa de superficies. Segunda edicin. Mxico: Editorial Limusa, 1992. 19-28 p.

2. LYNE, V. HOLLICK, M. Stochastic time variable rainfall-runoff modelling. Hydrology and Water Resources. Symposium. Institution of Engineers Australia, Perth, 1979. p. 89-92.

3. BOUGHTON, W. A hydrograph-based model for estimating the water yield of ungauged catchments. Hydrology and Water Resources Symposium. Newcastle, 1993. p. 317-324.

4. CHAPMAN, Tom, A comparison of algorithms for stream flow recession and baseflow separation. Hydrological Processes. 1999. Vol 13, p. 701-714.

5. CHAPMAN, T, MAXWELL, A. Baseflow separation comparison of numerical methods with tracer experiments. Hydrology and Water Resources. Symposium. Institution of Engineers Australia,

Hobart, 1996. p. 539-545.

6. NATHAN, R, McMAHON, T. Evaluation of automated techniques for base flow and recession analyses, Water Resources Research, 1990. Vol 26, p. 1465-1473

7. MACHUCA, Diana. Separacin de flujo base en la Cuenca alta del Ro de Oro utilizando algoritmos numricos. Tesis de pregrado, 2012.

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8. SMAKHTIN, V., Low flow hydrology: a review. Journal of Hydrology, 2001. Vol. 240, p. 147-186.

9. CHOW, Ven Te, MAIDMENT, David, MAYS, Larry. Hidrologa aplicada. Santa f de Bogot: McGraw-Hill,1994.

10. FLREZ, Wilmer, RUEDA, Jos., Curva de calibracin y funcionamiento de la estacin hidromtrica automtica del Ro de Oro. Tesis de pregrado. 2009.

11. MOORE, R. Storage-outflow modelling of streamflow recessions, with application to a shallow-soil forested catchment. Journal of Hydrology, 1997. Vol. 198. p. 260-270.

12. FORERO, Juan,. Modelo hidrolgico distribuido en la cuenca superior del Ro de Oro. Tesis de maestra, 2012.

13. GMEZ, Sully, GUZMN, Jorge. Separacin de flujo base en la cuenca superior

del ro Lebrija. Rev. Fac. Ing. Univ. Antioquia N. 61 pp. 52-63. Diciembre, 2011.

14. WITTENBERG, Hartmut, Baseflow recession and recharge as nonlinear storage processes, Hydrological Processes, 1999. Vol 13, p. 715-726.