estimación caudal ambiental estación la cabaña río teusacá

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTADO DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL

BOGOTÁ D.C.

2014

Estimación Caudal Ambiental Estación La Cabaña

Río Teusacá

PROYECTO DE GRADO – PASANTÍA DE INVESTIGACIÓN EN

INGENIERÍA AMBIENTAL

Juan Sebastián Lovado Cediel

Universidad de los Andes

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental (ICYA 3103 – 201410)

Estimación caudal ambiental estación La Cabaña – Río Teusacá

Juan Sebastián Lovado Cediel 1

TABLA DE CONTENIDO

TABLA DE CONTENIDO .................................................................................................................................................. 1

1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................................... 2

2. CONTEXTUALIZACIÓN .......................................................................................................................................... 2

3. ANÁLISIS DE INFORMACIÓN SUMINISTRADA ...................................................................................................... 4

4. FASE I: COMPONENTE HIDROLÓGICO .................................................................................................................. 7

4.1. ANÁLISIS DE CONSISTENCIA, HOMOGENEIDAD Y CALIDAD DE LA INFORMACIÓN HIDROLÓGICA ............................................... 9 4.1.1. Existencia de puntos anómalos ..................................................................................................................... 9 4.1.2. Homogeneidad y cambios en la media ....................................................................................................... 12 4.1.3. Tendencias en la media ............................................................................................................................... 13 4.1.1. Corrección de datos faltantes ..................................................................................................................... 14

4.2. ANÁLISIS DE CORRELACIÓN HIDROLÓGICA – ÍNDICES DE FENÓMENOS MACRO CLIMÁTICOS ................................................. 14 4.3. CLASIFICACIÓN DE REGISTROS POR CONDICIÓN HIDROLÓGICA ....................................................................................... 17 4.4. CÁLCULO DE ÍNDICES HIDROLÓGICOS 7Q10 Y Q95% .................................................................................................. 19 4.5. ESTIMACIÓN ITERATIVA DE LA PROPUESTA MENSUAL INICIAL DE CAUDALES AMBIENTALES .................................................. 20

5. FASE II: COMPONENTE HIDRÁULICO Y DE CALIDAD DEL AGUA ........................................................................... 27

6. REFERENCIAS ...................................................................................................................................................... 30





1. INTRODUCCIÓN

Este documento describe el trabajo realizado entre Abril y Mayo de 2014, correspondiente al

componente 1) hidrológico y 2) hidráulico y de calidad del agua, para la estimación del caudal

ambiental mediante la metodología UN-MAVDT para la estación “La Cabaña” del río Teusacá. En

base a trabajos previos realizados durante el semestre, se obtuvo la experiencia necesaria para poder

desarrollar de buena manera estos componentes de la metodología.

En primer lugar se hace una breve contextualización de la zona de estudio. Luego, se realiza un

conciso análisis acerca de la información base suministrada y a partir de la cual se realizó el trabajo.

En tercer lugar se detalla paso a paso el componente No. 1 de la metodología, el hidrológico, y se

muestran los resultados obtenidos. Posteriormente, se describe el componente No. 2 de la

metodología UN-MAVDT, el concerniente a la hidráulica y calidad del agua, con sus respectivos

resultados. Finalmente, se muestra la propuesta de caudales ambientales a la cual se llegó luego de

haber desarrollado todo lo anterior. Igualmente, se enumeran algunas conclusiones y

recomendaciones pertinentes.

2. CONTEXTUALIZACIÓN

El río Teusacá nace en la laguna El Verjón a 3470 m.s.n.m. en el departamento de Cundinamarca –

Colombia. Aproximadamente 75 km después de su nacimiento, y posteriormente al uso de sus aguas

por los habitantes locales en actividades agrícolas, pecuarias y domésticas, el río Teusacá desemboca

en el Río Bogotá. El río Teusacá es regulado por el Embalse de San Rafael, el cual hace parte del

Sistema Chingaza que suministra agua potable a la ciudad de Bogotá. La cuenca de este rio es

bastante uniforme, con un área de 358 km² y con una altitud máxima en el Cerro de la Vega de 3667

m.s.n.m. y mínima de 2550 m.s.n.m. en la desembocadura con el río Bogotá. En la cuenca se registra

una temperatura promedio de 11.5 °C, una humedad relativa de 84% en la parte alta, y de 78% en la

parte baja [1, 2].

Las quebradas que conforman la cuenca del río, reciben cargas contaminantes puntuales por el

vertimiento de aguas residuales domésticas e industriales, y cargas distribuidas a lo largo de su

recorrido y que tienen como origen actividades agrícolas. Dichas cargas, generan impactos en la

calidad del agua del río, que a su vez genera impactos en salud pública y restringen los diferentes

usos del agua.

El tramo de estudio está comprendido desde aguas abajo de la desembocadura de la quebrada Simayá

hasta la estación limnimétrica “La Cabaña”, con una longitud que supera los 8 kilómetros, que recibe

una descarga puntual continua correspondiente a las aguas residuales del conjunto residencial

“Macadamia”, y que transporta la carga contaminante descargada (aguas arriba) por la quebrada

Simayá y la PTAR del municipio de La Calera. En el siguiente esquema se pueden apreciar los

puntos anteriormente mencionados.





Figura 1. Esquema del tramo de estudio del río Teusacá (Fuente: [1])

La metodología para la estimación de caudales ambientales en proyectos licenciados (UN-MAVDT),

recomienda realizar el análisis de las estaciones hidrométricas, lo más cerca posible al sitio de

intervención (< 1.5 km al sitio de análisis). Para el desarrollo de este proyecto, se va a tener en

cuenta información de la estación limnimétrica “La Cabaña” (punto T11). Debido a lo anterior, la

propuesta de caudales ambientales desarrollada en este documento, tiene validez solo para el tramo

comprendido entre los puntos T-9 a T-11, y 1.5 km aguas abajo de dicha estación, pues se encuentran

dentro del rango de distancia establecido. De igual forma, corresponde al tramo que se desea

analizar, pues se sospecha que allí no se cumplen con los caudales ambientales mínimos producto de

la descarga Macadamia, PTAR La Calera y quebrada Simayá.





3. ANÁLISIS DE INFORMACIÓN SUMINISTRADA

Se realizó la primera y segunda etapa de la metodología para la estimación del caudal ambiental en

proyectos licenciados (componente hidrológico), para la estación “La Cabaña” ubicada en el río

Teusacá. Debido a lo anterior, se recurrió a obtener información de dicha estación hidrométrica, al

igual que de algunas otras circundantes. La información recopilada, correspondió a caudales medios

diarios para la estación La Cabaña, Puente la Calera y El Vergel. En la siguiente tabla se muestran

algunas características básicas de dichas estaciones.

Tabla 1. Estaciones hidrométricas de las cuales se tuvo información

Código Depto. Municipio Categoría Estación Corriente Latitud Longitud Norte Este Altura Entidad Instalación

2120872 CUND La Calera LM Pte. La Calera

Teusacá 443 7358 1014000 1012400 2718 CAR 1985-11

2120729 CUND La Calera LM La

Cabaña Teusacá 446 7357 1019750 1023220 2595 EAAB 1946-08

2120878 CUND Sopó LG El Vergel Teusacá 451 7344 1029500 1013700 2580 CAR 1985-04

Nótese que se encuentra resaltado en gris la estación de interés, pues a partir de ésta se va a realizar

todo el componente hidrológico, hidráulico y de calidad de agua de la metodología. La estación Pte.

La Calera y El Vergel, se encuentran ubicadas aguas arriba y aguas abajo de La Cabaña

respectivamente. En primer lugar, se analizó la información hidrométrica de estas tres estaciones

para encontrar concordancia y consistencia entre los caudales medios diarios. Efectivamente se

encontró consistencia, y se prosiguió con el análisis. En la siguiente tabla se resumen algunos datos

importantes acerca de la información suministrada de las estaciones.

Tabla 2. Resumen información hidrométrica por estaciones

Código Estación Entidad Serie

Histórica Años con

Datos

Años con >90% de

datos

Q mínimo multianual

(m³/s)

Q medio multianual

(m³/s)

2120872 Pte. La Calera CAR 1991-2013 17 9 0.079 1.703

2120729 La Cabaña EAAB 1959-2013 55 51 0.335 2.555

2120878 El Vergel CAR 1982-2013 24 11 0.435 3.063

Una vez comprobados los caudales de las estaciones circundantes, se prosiguió a realizar el análisis

hidrológico mediante los datos de la estación La Cabaña. A continuación se presenta el resumen de

la información de caudales medios diarios suministrada por la Empresa de Acueducto y

Alcantarillado de Bogotá (EAAB) para esta estación [3]. Existen 55 años de información, con 51 que

cumplen con el criterio de 90% de datos. Se trata de una serie bastante completa, de la cual es

posible realizar un adecuado análisis hidrológico. Las celdas sombreadas en azul corresponden a

años normales (365 días), mientras que las anaranjadas a años bisiestos (366 días). Por otra parte, las

celdas sombreadas en verde indican años que cumplen con el criterio de más del 90% de datos,

mientras que las que están en rojo corresponden a años que no lo cumplen. Finalmente, el año

sombreado en amarillo (1997) corresponde al año en el cual entró en funcionamiento el Embalse de

San Rafael, pues se pretende analizar el impacto que esto tuvo en la hidrología de la corriente.





Tabla 3. Compilado y resumen de información de caudales medios diarios para estación La Cabaña (1959-2013)

Año (#) Año Q max (m³/s) Qmin (m³/s) Media (m³/s) # Datos Días Año % datos

1 1959 47.470 0.180 1.653 365 365 100.00%

2 1960 32.000 0.270 1.363 366 366 100.00%

3 1961 20.770 0.170 2.073 365 365 100.00%

4 1962 22.840 0.170 2.162 365 365 100.00%

5 1963 34.510 0.170 2.407 364 365 99.73%

6 1964 13.420 0.140 1.446 366 366 100.00%

7 1965 56.820 0.080 2.334 363 365 99.45%

8 1966 36.630 0.170 2.284 365 365 100.00%

9 1967 37.330 0.330 3.423 365 365 100.00%

10 1968 22.930 0.270 2.620 366 366 100.00%

11 1969 40.000 0.350 2.629 365 365 100.00%

12 1970 70.670 0.270 3.545 365 365 100.00%

13 1971 38.080 0.360 2.470 365 365 100.00%

14 1972 28.860 0.470 2.235 366 366 100.00%

15 1973 14.480 0.300 1.684 365 365 100.00%

16 1974 8.980 0.580 1.847 365 365 100.00%

17 1975 16.090 0.400 2.541 365 365 100.00%

18 1976 16.960 0.430 3.062 366 366 100.00%

19 1977 6.820 0.500 1.457 365 365 100.00%

20 1978 23.770 0.240 1.823 365 365 100.00%

21 1979 63.450 0.370 3.265 362 365 99.18%

22 1980 25.740 0.190 1.542 365 366 99.73%

23 1981 14.030 0.330 3.194 365 365 100.00%

24 1982 36.540 0.580 4.689 334 365 91.51%

25 1983 37.790 1.140 4.609 364 365 99.73%

26 1984 20.970 0.030 2.192 359 366 98.09%

27 1985 68.960 0.090 7.226 299 365 81.92%

28 1986 44.320 0.060 4.226 348 365 95.34%

29 1987 14.150 0.960 3.306 177 365 48.49%

30 1988 19.420 0.050 3.071 264 366 72.13%

31 1989 6.560 0.550 1.950 294 365 80.55%

32 1990 10.850 0.930 2.338 355 365 97.26%

33 1991 17.480 0.434 3.304 362 365 99.18%

34 1992 12.430 0.022 2.188 363 366 99.18%

35 1993 12.160 0.175 2.833 365 365 100.00%

36 1994 14.939 0.181 3.256 365 365 100.00%

37 1995 11.741 0.293 1.345 365 365 100.00%

38 1996 14.993 0.404 1.826 366 366 100.00%

39 1997 8.680 0.445 1.943 365 365 100.00%

40 1998 19.120 0.454 2.675 365 365 100.00%

41 1999 15.786 1.628 4.857 365 365 100.00%

42 2000 24.197 0.738 3.758 366 366 100.00%

43 2001 13.161 0.403 2.231 365 365 100.00%

44 2002 28.979 0.079 4.772 365 365 100.00%

45 2003 5.237 0.396 1.705 364 365 99.73%

46 2004 10.028 0.401 2.393 360 366 98.36%

47 2005 7.324 0.079 1.371 365 365 100.00%

48 2006 22.338 0.205 2.188 365 365 100.00%

49 2007 5.948 0.072 0.868 364 365 99.73%

50 2008 17.772 0.057 2.170 358 366 97.81%

51 2009 15.614 0.399 1.637 364 365 99.73%

52 2010 11.686 0.348 2.201 364 365 99.73%

53 2011 39.956 0.102 4.292 362 365 99.18%

54 2012 22.283 0.267 3.755 366 366 100.00%

55 2013 7.526 0.003 1.610 363 365 99.45%





Figura 2. Caudales medios diarios para la serie histórica (1959-2013) - estación La Cabaña

0

10

20

30

40

50

60

70

1959 1964 1969 1974 1979 1984 1989 1994 1999 2004 2009 2014

Qm

d(m

³/s)

Fecha

Qmd La Cabaña_EAAB (1959-2013)





En la figura anterior se pudo apreciar gráficamente los caudales medios diarios para la serie histórica

(1959-2013) de la estación La Cabaña. Posteriormente, se continuó con la aplicación de la

metodología UN-MAVDT para el componente hidrológico.

4. FASE I: COMPONENTE HIDROLÓGICO

En primera instancia, se realizó el análisis de consistencia y homogeneidad de toda la serie histórica

disponible (1959-2013). Aun así, se detectó rápidamente que los datos no eran homogéneos y que

existía una fecha clara para la cual había un cambio en la tendencia de la media. El Sistema Chingaza

se complementó con la construcción del embalse de San Rafael que empezó a funcionar en 1997 con

una capacidad máxima de 75 millones de metros cúbicos. La construcción de dicho embalse coincide

con el rango de fechas para la cual la serie histórica de información hidrométrica deja de ser

consistente para la estación La Cabaña [4].

De acuerdo a lo anterior, se decidió emplear la serie histórica a partir de 1997, pues corresponde a un

periodo más homogéneo, y con el fin de evaluar los caudales ambientales influenciados por la

construcción del embalse de San Rafael. Se descartaron los registros desde 1959 hasta 1996, y se

optó por usar un registro total de 17 años (1997-2013), todos cumpliendo con el criterio de más del

90% de los datos. A continuación se presenta el resumen de la información hidrométrica para dichos

años seleccionados.

Tabla 4. Compilado y resumen de información de caudales medios diarios para estación La Cabaña (1997-2013)

Año (#) Año Q max (m³/s) Qmin (m³/s) Media (m³/s) # Datos Días Año % datos

1 1997 8.680 0.445 1.943 365 365 100.00%

2 1998 19.120 0.454 2.675 365 365 100.00%

3 1999 15.786 1.628 4.857 365 365 100.00%

4 2000 24.197 0.738 3.758 366 366 100.00%

5 2001 13.161 0.403 2.231 365 365 100.00%

6 2002 28.979 0.079 4.772 365 365 100.00%

7 2003 5.237 0.396 1.705 364 365 99.73%

8 2004 10.028 0.401 2.393 360 366 98.36%

9 2005 7.324 0.079 1.371 365 365 100.00%

10 2006 22.338 0.205 2.188 365 365 100.00%

11 2007 5.948 0.072 0.868 364 365 99.73%

12 2008 17.772 0.057 2.170 358 366 97.81%

13 2009 15.614 0.399 1.637 364 365 99.73%

14 2010 11.686 0.348 2.201 364 365 99.73%

15 2011 39.956 0.102 4.292 362 365 99.18%

16 2012 22.283 0.267 3.755 366 366 100.00%

17 2013 7.526 0.003 1.610 363 365 99.45%

De igual manera, en la siguiente figura se pueden apreciar gráficamente los caudales medios diarios

para la serie seleccionada (1997-2013) de la estación La Cabaña.





Figura 3. Caudales medios diarios para la serie seleccionada (1997-2013) - estación La Cabaña

0

5

10

15

20

25

30

35

40

1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013

Qm

d(m

³/s)

Fecha

Qmd La Cabaña_EAAB (1997-2014)





4.1. Análisis de Consistencia, Homogeneidad y Calidad de la Información Hidrológica

4.1.1. Existencia de puntos anómalos

En primer lugar se determinaron algunos valores estadísticos de la serie analizada (1997-2013) para

17 años que cumplían con el criterio de tener más del 90% de los datos. Posteriormente se realizaron

distintas pruebas para detectar la posible existencia de puntos anómalos mediante la ayuda de la

herramienta XLSTAT. A continuación se presentan los resultados obtenidos.

Tabla 5. Valores estadísticos de los datos analizados (1997-2013)

Estadística Qmd(m³/s)

No. de observaciones 6209

No. de valores perdidos 24

Mínimo 0.003

Máximo 39.956

Freq. del mínimo 1

Frec. del máximo 1

1° Cuartil 0.861

Mediana 1.713

3° Cuartil 3.342

Media 2.615

Varianza (n-1) 7.920

Desviación típica (n-1) 2.814

Coeficiente de variación 1.076

Error estándar de la

media 0.036

Figura 4. Box plot - diagrama de cajas para detección de puntos anómalos para los datos analizados (1997-2013)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Qm

d(m

³/s)

Box plot (Qmd(m³/s))

Media Min/Max





Figura 5. Escategrama para detección de puntos anómalos para los datos analizados (1997-2013)

Figura 6. Histograma para los datos analizados (1997-2013)

0

5

10

15

20

25

30

35

40Q

md

(m³/

s)

Scattergram (Qmd(m³/s))

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Fre

cue

nci

a re

lati

va

Qmd(m³/s)

Histograma (Qmd(m³/s))





Figura 7. Q-Q plot para los datos analizados (1997-2013)

De igual forma, se realizó una prueba estadística no paramétrica de detección de puntos anómalos

(prueba de Grubbs) con un nivel de confianza del 90%. A continuación se presentan los resultados de

dicha prueba.

Figura 8. Prueba de Grubbs para detección de puntos anómalos para los datos analizados (1997-2013)

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40

Cu

anti

l - N

orm

al (

2,6

1, 2

,81

)

Qmd(m³/s)

Q-Q plot (Qmd(m³/s))





De acuerdo a las pruebas anteriormente mencionadas, se sugiere remover algunos puntos anómalos

(outliers) que se salen de la tendencia general:

Caudales máximos de mayo de 2011 (3 valores entre 20 y 40 m3/s), pues son caudales

extremadamente altos. Este año presenta correlación con un evento de la niña, además de ser

mayo un mes lluvioso (régimen bimodal). Aun así, 2 métodos o pruebas de detección de

outliers recomendaron eliminar el valor máximo, y observando los datos predecesores de

dicho mes (no presentan consistencia), se decide eliminar estos 3 valores.

Caudales máximos de junio de 2002 (6 valores entre 20 y 30 m3/s), pues son caudales

extremadamente altos. Aun así, dicho año no presenta correlación con un evento macro

climático como la niña o el niño. Sin embargo, observando los valores de los días anteriores y

posteriores (presentan consistencia), y teniendo en cuenta que es un mes lluvioso, se decide

no eliminar dichos datos.

Caudales máximos de Noviembre de 2000 (3 valores entre 15 y 25 m3/s), pues son caudales

extremadamente altos. Dicho año no presenta correlación con un evento macro climático

como la niña o el niño, y observando los valores de los días anteriores y posteriores (no

presentan consistencia), se decide eliminar dichos datos.

Un caudal máximo de Noviembre de 2006 (1 valor de 22 m3/s), pues es un caudal

extremadamente alto. Dicho año no presenta correlación con un evento macro climático


presentan consistencia), se decide eliminar dicho dato.

El caudal mínimo de la serie, que corresponde al 22 de Noviembre del 2013 con un valor

extremadamente bajo de 0.003 m3/s. Dicho año no presenta correlación con un evento macro

climático como la niña o el niño, y observando los valores de los días anteriores y posteriores

(no presentan consistencia), se decide eliminar dicho dato.

Caudales mínimos de Marzo de 2002 (5 valores por debajo de 0.09 m3/s), pues son caudales

extremadamente bajos. Dicho año no presenta correlación con un evento macro climático


presentan consistencia), se decide eliminar dichos datos.

4.1.2. Homogeneidad y cambios en la media

Mediante la prueba de Petit para los 17 años de datos completos (1997-2013) se presenta no

homegeneidad. Existe una fecha en la que hay un cambio en los datos. A continuación se muestran

los resultados de dicha prueba.





Figura 9. Prueba de Petit para detectar homogeneidad y cambios en la media para los datos analizados (1997-2013)

Se realizó la misma prueba para otros periodos de tiempo (1997-2006, 2004-2013, 2001-2010)

intentando cumplir con el criterio de mínimo 10 años de registro, y se encontraron los mismos

resultados. Lo anterior se puede deber a la operación propia del embalse de San Rafael, y por

consiguiente se continuó el análisis con esta serie (1997-2013).

4.1.3. Tendencias en la media

Se realizó la Prueba de Mann-Kendall para el periodo completo (1997-2013) de 17 años. A

continuación se muestran los resultados de dicha prueba.

Figura 10. Prueba de Mann-Kendall para detectar tendencias en la media para los datos analizados (1997-2013)





El resultado de la prueba muestra que existe una tendencia en la serie, lo cual indica que podría

existir un periodo no homogéneo. También se realizó la prueba de Man-Kendall para otros periodos

de tiempo (1997-2006, 2004-2013, 2001-2010) intentando cumplir con el criterio de mínimo 10 años

de registro, y se encontraron los mismos resultados. Lo anterior se puede deber a la operación propia

del embalse de San Rafael, y por consiguiente se continuó el análisis con esta serie (1997-2013).

4.1.1. Corrección de datos faltantes

La corrección de los 23 datos faltantes de caudal medio diario se efectuó mediante el promedio

mensual para cada mes y año, pues la estación de aguas abajo (El Vergel) se encuentra muy alejada

para hacer un análisis de regresión. Se observó que el valor a completar tuviera consistencia con los

datos anteriores y posteriores. Se prosiguió con el análisis de correlación hidrológica con la totalidad

del registro diario desde 1997 hasta 2013.

4.2. Análisis de Correlación Hidrológica – Índices de Fenómenos Macro Climáticos

Se realizaron los análisis de correlación hidrológica con respecto a ciertos índices de fenómenos

macro climáticos como:

- SOI (índice de oscilación del sur): estándar y anomalía

- SST (temperatura superficial del mar): 3.4 anomalía

- NAO (índice de oscilación del atlántico norte)

Para lo anterior, se evaluó la influencia entre los fenómenos macro climáticos y la hidrología de la

corriente, a partir del cálculo de correlaciones cruzadas entre los índices mensuales de estos mismos

fenómenos y los caudales medios mensuales mediante la herramienta XLSTAT. A continuación se

presentan los resultados.





Figura 11. Correlograma (correlación cruzada) entre SOI anomalía Vs. QMM

Figura 12. Correlograma (correlación cruzada) entre SOI estándar Vs. QMM

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-23 -21 -19 -17 -15 -13 -11 -9 -7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

Co

rre

laci

ón

cru

zad

a

Desplazamiento

Correlaciones cruzadas (SOI anomalía / QMM)

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-23 -21 -19 -17 -15 -13 -11 -9 -7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

Co

rre

laci

ón

cru

zad

a

Desplazamiento

Correlaciones cruzadas (SOI estándar / QMM)





Figura 13. Correlograma (correlación cruzada) entre SST 3.4 anomalía Vs. QMM

Figura 14. Correlograma (correlación cruzada) entre índice NAO Vs. QMM

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-23 -21 -19 -17 -15 -13 -11 -9 -7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

Co

rre

laci

ón

cru

zad

a

Desplazamiento

Correlaciones cruzadas (SST 3.4 anomalía / QMM)

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-23 -21 -19 -17 -15 -13 -11 -9 -7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

Co

rre

laci

ón

cru

zad

a

Desplazamiento

Correlaciones cruzadas (NAO índice / QMM)





Como se puede apreciar en los correlogramas de SOI anomalía vs. QMM y SOI estándar vs. QMM,

existe gran correlación positiva con el fenómeno del niño con valores superiores a 0.2, y con un

rezago de hasta -10, lo cual quiere decir que dicho fenómeno estaría precediendo la hidrología del

río.

4.3. Clasificación de Registros por Condición Hidrológica

Se encontró correlación entre el SOI y el QMM, es decir existe una influencia del ENSO en la

hidrología de la corriente. Debido a lo anterior, se procedió a clasificar los años como secos,

normales y húmedos de acuerdo a la metodología de la UN-MAVDT. Se encontraron los siguientes

resultados:

- Q_MM_niña > Q_MM_normal > Q_MM_niño Ajuste perfecto, se cumple para 7 meses

(Enero, Abril, Mayo, Agosto, Septiembre, Octubre y Noviembre).

- Q_MM_niña > Q_MM_niño > Q_MM_normal Ajuste casi perfecto, no se cumple para

ningún mes.

- Q_MM_normal > Q_MM_niña > Q_MM_niño Se cumple para 3 meses (Febrero, Marzo y

Junio).

- Q_MM_niño > Q_MM_niña > Q_MM_normal Se cumple para 2 meses (Julio y

Diciembre).

- Q_MM_normal > Q_MM_niño > Q_MM_niña No se cumple para ningún mes.

- Q_MM_niño > Q_MM_normal > Q_MM_niña No se cumple para ningún mes.

Tabla 6. Caudales medios mensuales en m³/s por cada condición hidrológica (seco-niño, promedio-normal y húmedo-niña)

MES Niño Normal Niña

ENERO 1.340 1.440 2.220

FEBRERO 1.220 1.800 1.550

MARZO 1.531 1.812 1.764

ABRIL 1.050 2.470 5.510

MAYO 1.850 2.960 3.180

JUNIO 1.717 3.550 3.325

JULIO 6.310 3.670 5.520

AGOSTO 2.730 3.000 4.660

SEPTIEMBRE 1.397 2.320 5.135

OCTUBRE 1.720 2.420 3.060

NOVIEMBRE 1.500 2.680 3.730

DICIEMBRE 3.717 1.996 2.796





Figura 15. Caudales medios mensuales por cada condición hidrológica (seco-niño, promedio-normal y húmedo-niña)

De igual forma, se realizó la clasificación de años de acuerdo a las tres condiciones hidrológicas

(niño, normal y niña). En la siguiente tabla se resumen dichos resultados:

Tabla 7. Clasificación de años por cada condición hidrológica (seco-niño, promedio-normal y húmedo-niña)

AÑO Año Seco

(Niño)

Año Promedio

(Normal)

Año Húmedo

(Niña)

1997 X

1998 X

1999 X

2000 X

2001 X

2002 X

2003 X

2004 X

2005 X

2006 X

2007 X

2008 X

2009 X

2010 X

2011 X

2012 X

2013 X





4.4. Cálculo de Índices Hidrológicos 7Q10 y Q95%

S realizó el cálculo de los índices hidrológicos 7Q10 y Q95%, llegando así a la primera propuesta de

caudales ambientales (36 caudales) para las 3 condiciones hidrológicas y para los 12 meses del año.

A continuación se muestran los resultados.

Tabla 8. Resultados de la estimación del Q95% y 7Q10 para los datos analizados (1997-2013)

Q95% (m³/s)

Mes Todos los años Años Niño Años Normales Años Niña

Enero 0.152 0.524 0.080 0.145

Febrero 0.069 0.506 0.063 0.486

Marzo 0.275 0.587 0.077 0.385

Abril 0.184 0.453 0.152 0.486

Mayo 0.403 0.403 0.380 0.464

Junio 0.532 0.685 0.536 0.479

Julio 0.834 0.940 0.767 0.689

Agosto 0.762 0.551 0.883 1.121

Septiembre 0.475 0.573 0.366 0.692

Octubre 0.445 0.810 0.260 0.555

Noviembre 0.494 0.919 0.483 0.757

Diciembre 0.495 0.779 0.470 0.490

7Q10 (m³/s)

0.073

Para este paso, el caudal ambiental corresponderá al máximo entre el Q95% y 7Q10 mes a mes. A

continuación se muestran los resultados obtenidos. Generalmente, para todas las condiciones

hidrológicas y para todos los meses, el caudal escogido corresponde al hallado con el índice Q95%.

En este caso particular, el caudal de febrero para la condición hidrológica “normal”, fue sustituido

por el 7Q10. De resto correspondió al Q95%.

Tabla 9. Propuesta inicial de caudales ambientales estación La Cabaña (caudales en m³/s)

Mes Años Niño Años Normales Años Niña

Enero 0.524 0.080 0.145

Febrero 0.506 0.073 0.486

Marzo 0.587 0.077 0.385

Abril 0.453 0.152 0.486

Mayo 0.403 0.380 0.464

Junio 0.685 0.536 0.479

Julio 0.940 0.767 0.689

Agosto 0.551 0.883 1.121

Septiembre 0.573 0.366 0.692

Octubre 0.810 0.260 0.555

Noviembre 0.919 0.483 0.757

Diciembre 0.779 0.470 0.490





4.5. Estimación Iterativa de la Propuesta Mensual Inicial de Caudales Ambientales

Con el fin de preservar el régimen de la corriente, especialmente para los caudales más bajos, se hace

una corrección iterativa de la primera propuesta de caudales ambientales. Los siguientes son los

criterios tenidos en cuenta para hacer dicha corrección:

Alteración máxima de la curva de duración de caudales (CDC) medios diarios para las

condiciones sin y con proyecto. Los caudales de la serie post se determinaron como el

mínimo de la serie sin intervención y la propuesta de caudales ambientales para el mes i y la

condición hidrológica j. La propuesta de caudales ambientales tuvo que ser refinada mediante

el método de coeficientes variables propuesto en la metodología. A continuación se muestra

la tabla resumen con los caudales pre y post intervención y su cumplimiento.

Tabla 10. Tabla resumen del cumplimiento del primer criterio (CDC) de la estimación iterativa

Percentiles Qpre (m³/s) Qpost (m³/s) Fracción Cumple?

10 5.703 1.100 0.19 NO

20 3.885 0.920 0.24 NO

30 2.922 0.890 0.30 NO

40 2.186 0.800 0.37 NO

50 1.713 0.730 0.43 NO

60 1.406 0.600 0.43 NO

70 1.033 0.540 0.52 SI

80 0.689 0.520 0.75 SI

90 0.491 0.430 0.88 SI

92 0.475 0.430 0.91 SI

95 0.396 0.400 1.01 SI

98 0.179 0.180 1.01 SI

99 0.077 0.080 1.04 SI

99.5 0.069 0.070 1.01 SI





Figura 16. Curva de duración de caudales medios diarios (CDC)

En éste paso se cumple con el criterio para caudales más bajos (percentiles mayores al 70 %) de

acuerdo a lo sugerido por la metodología UN- MAVDT. Se prosigue con el siguiente criterio.

Alteración máxima de las frecuencias de valores mínimos de caudal. A continuación se

muestra la tabla resumen con los caudales pre y post intervención, la fracción y su

cumplimiento.

Tabla 11. Tabla resumen del cumplimiento del segundo criterio (alteraciones máximas de frecuencia) de la estimación iterativa

P. Retorno (Tr) Qpre (m³/s) Qpost (m³/s) Fracción Cumple?

2 0.400 0.350 0.88 SI

5 0.078 0.090 1.16 SI

10 0.067 0.069 1.04 SI

25 0.052 0.052 1.00 SI

Como se puede observar en la tabla, se cumple con este criterio. Se prosigue con el último.

Alteración del régimen hidrológico de la corriente

Este criterio se evalúa más de forma cualitativa y tiene que ver con la operación propia del proyecto

y su el efecto que esto tenga en el régimen hidrológico de la corriente. Falta realizar en detalle esta

verificación, pues no hay suficiente información acerca de la definición/operación del proyecto.

Finalmente, mediante el refinamiento de la propuesta mediante los dos primeros criterios, se tiene

como resultado una propuesta hidrológica de caudales ambientales. La siguiente tabla y las próximas





figuras muestran la propuesta de caudales ambientales para la estación La Cabaña para el primer

componente (hidrológico) de la metodología UN-MVADT.

Tabla 12. Propuesta de caudales ambientales estación La Cabaña para el componente hidrológico (caudales en m³/s)

Mes Niño Niña Normal

Enero 0.524 0.666 0.432

Febrero 0.506 0.486 0.540

Marzo 0.587 0.529 0.544

Abril 0.453 1.653 0.741

Mayo 0.555 0.954 0.888

Junio 0.685 0.998 1.065

Julio 1.893 1.656 1.101

Agosto 0.819 1.398 0.900

Septiembre 0.573 1.541 0.696

Octubre 0.810 0.918 0.726

Noviembre 0.919 1.119 0.804

Diciembre 1.115 0.839 0.599

Figura 17. Propuesta de caudales ambientales estación La Cabaña para el componente hidrológico (3 condiciones)





Figura 18. Propuesta de caudales ambientales estación La Cabaña para el componente hidrológico (condición promedio)

Figura 19. Propuesta de caudales ambientales estación La Cabaña para el componente hidrológico (condición húmeda)





Figura 20. Propuesta de caudales ambientales estación La Cabaña para el componente hidrológico (condición seca)

A continuación, se presenta una figura que compara la propuesta de caudales ambientales para el

componente hidrológico realizada en este trabajo, con aquella realizada mediante el uso de la

herramienta de Matlab “EFET” desarrollada por Sergio Redondo [5]. Vale la pena mencionar que la

serie empleada para el cálculo del caudal ambiental mediante el software EFET correspondió a los

años entre 1997 y 2009, a diferencia de la descrita en este trabajo (1997-2013), debido a que la

herramienta solo está actualizada hasta éste año.

Nótese que los caudales ambientales calculados y descritos mediante este trabajo son más restrictivos

que aquellos determinados por la herramienta EFET. Lo anterior se puede deber a la explicación

mencionada en el párrafo anterior, pues los años comprendidos entre 2009 y 2013 reportan valores

más bajos que los de la media total de la serie.





Figura 21. Comparación de propuestas hidrológicas de caudales ambientales estación La Cabaña. a) Metodología UN-MAVDT

descrita a lo largo de este documento y b) metodología UN-MAVDT empleando herramienta EFET.





En la siguiente tabla y figura, se detalla la propuesta hidrológica mensual de caudales ambientales

para la estación la cabaña, incluyendo los caudales medios mensuales naturales, y la diferencia entre

ambos.

Tabla 13. Caudales mensuales naturales y propuestos para cada condición hidrológica y diferencia entre ambos.

Mes Q niño

(Natural)

Q niño

(Propuesto) Diferencia

Q normal

(Natural)

Q normal


Q niña

(Natural)

Q niña


Enero 1.340 0.524 0.816 1.440 0.432 1.008 2.220 0.666 1.554

Febrero 1.220 0.506 0.714 1.800 0.540 1.260 1.550 0.486 1.064

Marzo 1.531 0.587 0.944 1.812 0.544 1.268 1.764 0.529 1.235

Abril 1.050 0.453 0.597 2.470 0.741 1.729 5.510 1.653 3.857

Mayo 1.850 0.555 1.295 2.960 0.888 2.072 3.180 0.954 2.226

Junio 1.717 0.685 1.032 3.550 1.065 2.485 3.325 0.998 2.327

Julio 6.310 1.893 4.417 3.670 1.101 2.569 5.520 1.656 3.864

Agosto 2.730 0.819 1.911 3.000 0.900 2.100 4.660 1.398 3.262

Septiembre 1.397 0.573 0.824 2.320 0.696 1.624 5.135 1.541 3.594

Octubre 1.720 0.810 0.910 2.420 0.726 1.694 3.060 0.918 2.142

Noviembre 1.500 0.919 0.581 2.680 0.804 1.876 3.730 1.119 2.611

Diciembre 3.717 1.115 2.602 1.996 0.599 1.397 2.796 0.839 1.957

Figura 22. Diferencia entre caudales mensuales naturales y propuestos para cada condición hidrológica





5. FASE II: COMPONENTE HIDRÁULICO Y DE CALIDAD DEL AGUA

Para el segundo componente de la metodología UN-MAVDT (hidráulica y calidad del agua), se

empleó información de datos hidráulicos y de calidad del agua, tales como tasas de reacción y

concentraciones de determinantes, de dos tesis de maestría de la Universidad Nacional dirigidas por

el profesor Luis A. Camacho [1, 6]. En la siguiente tabla se muestran los valores empleados para la

realización de este componente.

Tabla 14. Datos generales, información hidráulica y tasas de reacción empleadas para realización del componente hidráulico y

de calidad del agua (Fuente: [1, 6])

Datos generales

Parámetro Unidades Valor

Longitud del Tramo m 1417.00

Altitud m.s.n.m. 2545.40

T ambiente (°C) 19.00

Información Hidráulica


Coef. a velocidad - 0.2140

Coef. b velocidad - 0.3730

Coef. a profundidad - 0.5804

Coef. b profundidad - 0.6215

Fracción dispersiva - 0.2515

Pendiente longitudinal - 0.0037

n-Manning - 0.1805

Ancho de la base del canal m 8.0350

Talud lateral z:1 - 0

Tasas de Reacción


DBO: Kd, Kdcf d-1

2.043

DBO: vsMOP, vpom d-1

0.621

Nitrógeno: Kna, Kn d-1

7.333

Fósforo: Kh, KhP d-1

0.794

Patógenos (CT): Kb, Kp d-1

9.180

Patógenos (CF): Kb, Kp d-1

10.320

SST: vsSST, vss d-1

0.312

Re aireación: ka d-1

166.500

De igual forma, a continuación se presentan los valores empleados en cuanto a concentraciones de

determinantes de calidad del agua para la estación La Cabaña, al igual que los caudales medidos en

aforos y la temperatura.





Tabla 15. Concentraciones de determinantes de calidad del agua empleadas para realización del componente hidráulico y de

calidad del agua (Fuente: [1, 6])

Campaña Caudal

(m³/s)

DBOP

(mgO/L)

Oxígeno

(mgO/L)

Nitrógeno

NH4

(mgN/L)

Fósforo

PT

(mgP/L)

Patógenos CT

(NMP/100mL)

Patógenos CF

(NMP/100mL)

SST

(mg/L)

T

(°C)

1 0.211 0.94 6.20 0.10 0.94632 18000 1000 5.00 16.9

2 0.266 1.87 6.80 0.60 0.40137 22000 1100 16.00 15.2

4 0.353 0.94 6.40 0.20 2.27768 8600 800 3.00 16.7

3 1.120 2.81 7.00 0.10 0.16968 37000 1400 40.00 14.8

5 1.590 0.94 6.40 0.53 0.96916 13000 1200 7.00 16.9

Por otra parte, se identificó que el río Teusacá, específicamente en la cercanía de la estación La

Cabaña, tiene 4 usos claramente identificables y que se resumen en la tabla a continuación. Dichos

usos fueron empleados para realizar el análisis hidráulico y de calidad del agua, pues de éstos

dependen los estándares permitidos de los determinantes.

Tabla 16. Usos del agua para el río Teusacá y criterios admisibles - estación La Cabaña (Fuente: [1, 7])

Uso CT

(NMP/100mL)

CF

(NMP/100mL)

OD

(% sat o mg/L)

NO3-

(mg/L)

NO3- + NO2

-

(mg/L)

Uso Agrícola 5000 1000

Uso Pecuario 10 100

Uso Recreativo C. secundario 5000 70%

Preservación F y F Agua Fría 5

Luego de haber realizado todo el análisis hidráulico y de calidad del agua, se encontró que para todas

las condiciones hidrológicas (36 meses: 12 secos, 12 normales y 12 húmedos), no se cumplió con el

criterio de calidad del agua para coliformes. Según la metodología UN-MAVDT, se deben cumplir

con cuatro criterios que se muestran a continuación:

𝑎𝐶𝑇𝑐𝑝

𝑎𝐶𝑇𝑠𝑝≥𝐶𝐶𝑇𝑠𝑝

𝐶𝑒𝑠𝑡

𝑎𝐶𝐹𝑐𝑝

𝑎𝐶𝐹𝑠𝑝≥𝐶𝐶𝐹𝑠𝑝

𝐶𝑒𝑠𝑡

𝑎𝑁𝑐𝑝

𝑎𝑁𝑠𝑝≥𝐶𝑁𝑠𝑝

𝐶𝑒𝑠𝑡

𝑎𝑂𝐷𝑐𝑝

𝑎𝑂𝐷𝑠𝑝≥𝐶𝑂𝐷𝑠𝑝

𝐶𝑒𝑠𝑡

En donde ajcp corresponde al factor de asimilación de carga contaminante en el río para la condición

con proyecto de caudal reducido, ajsp es el factor de asimilación de carga contaminante en el río para

la condición sin proyecto, Cjsp corresponde a la concentración del determinante j de calidad de agua

para la condición sin proyecto, y Cest es la concentración máxima permitida según los estándares

locales de acuerdo al uso de la corriente.





Para los 36 meses de propuesta inicial de caudales ambientales, se cumplieron con los dos últimos

criterios (N y OD). Aun así, para ningún caudal propuesto se cumplió con el criterio de coliformes

totales (CT), y solo para uno, se cumplió para coliformes fecales (CF). Se encontró que por más que

se incrementen los caudales ambientales propuestos para las 36 condiciones, no se va a poder

cumplir con el criterio de CT, pues la fracción CCTsp/Cest siempre reportó valores muy altos con

respecto a la fracción aCTcp/ aCTsp. Lo anterior se explica debido a las concentraciones tan altas de CT

que se registraron en las 5 campañas de medición, y producto de la descarga puntual del conjunto

residencial Macadamia. Por otro lado, para la mayoría de condiciones hidrológicas, se podría

aumentar el caudal ambiental inicial propuesto con el fin de cumplir con el criterio de coliformes

fecales, pues para este caso, la fracción CCFsp/Cest reportó valores mucho más cercanos a la fracción

aCFcp/ aCFsp.

Debido a la problemática anterior, se pueden llegar a las siguientes conclusiones:

Los valores registrados en las campañas de medición para coliformes totales y fecales

pudieron haber sido reportadas en unidades UFC/100mL, y la norma colombiana [7] reporta

los límites permisibles en NMP/100mL. Podría existir una inconsistencia de unidades.

El río Teusacá se encuentra tan saturado de coliformes producto de las distintas descargas

puntuales, que por más que se aumente el caudal ambiental, no se va a lograr cumplir con los

límites máximos establecidos según los usos de la corriente.

Es recomendable emplear un modelo robusto de calidad del agua para poder caracterizar

mejor las concentraciones de coliformes de acuerdo a cambios mínimos en el caudal. De esta

forma se puede tomar una conclusión más certera sobre si se debiera aumentar el caudal

ambiental inicial propuesto o no.

Finalmente, en cuanto al índice de integridad del hábitat (IIH), se obtuvo un puntaje promedio entre

0.21 y 0.50 para todos los meses y condiciones hidrológicas. Lo anterior implica que se obtuvo un

IIH bajo, e indica que las condiciones del hábitat son poco apropiadas para el desarrollo de

organismos.





6. REFERENCIAS

[1] M. P. Medina Nieto y L. A. Camacho Botero, «Propuesta metodológica para la estimación de la

capacidad de nitrificación de los ríos de montaña. Casos de estudio, río Teusacá y Subachoque,»

Mágister en Ingeniería - Recursos Hidráulicos - Universidad Nacional de Colombia, Bogotá,

2009.

[2] S. L. Muñoz Real y D. C. Beltrán Carvajal, «Perfil ambientalde la subcuenca del río Teusacá de

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Universidad de la Salle, Bogotá, 2010.

[3] G. Herrán y R. Rosero, Interviewees, Obtención de información hidrológica - unidad de

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[4] Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá EAAB, «Empresa - Nuestra Historia,» [En

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[5] S. A. Redondo Tilano, «Incertidumbre hidrológica en la estimación de caudales ambientales

mediante metodologías basadas en series históricas,» Tesis de Mágister en Ingeniería - Facultad

de Ingeniería - Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, 2011.

[6] J. A. Torres Matallana y L. A. Camacho Botero, «Estudio de los procesos de transporte y

decaimiento de organismos patógenos en ríos de montaña colombianos: río Teusacá y

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Colombia, Bogotá, 2009.

[7] Ministerio de Agricultura, «Decreto 1594 de 1984,» Usos del Agua y Residuos Líquidos, Bogotá,

1984.

[8] Universidad Nacional de Colombia; Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial;,

«Metodología para la estimación del caudal ambiental en proyectos licenciados,» Convenio

004/07, Bogotá, 2008.

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