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Ingeniería e InvestigaciónUniversidad Nacional de [email protected] ISSN (Versión impresa): 0120-5609COLOMBIA

2006 Juan Manuel Diez Hernández / Liliana Burbano Burbano

TÉCNICAS AVANZADAS PARA LA EVALUACIÓN DE CAUDALES ECOLÓGICOS EN EL ORDENAMIENTO SOSTENIBLE DE CUENCAS HIDROGRÁFICAS

Ingeniería e Investigación, abril, año/vol. 26, número 001 Universidad Nacional de Colombia

Bogotá, Colombia pp. 58-68

Red de Revistas Científicas de América Latina y el Caribe, España y Portugal

Universidad Autónoma del Estado de México

mailto:[email protected]

http://redalyc.uaemex.mx/


58 REVISTA INGENIERÍA E INVESTIGACIÓN VOL. 26 No.1, ABRIL DE 2006

REVISTA INGENIERÍA E INVESTIGACIÓN VOL. 26 No.1, ABRIL DE 2006 (58-68)

Técnicas avanzadas para la evaluación de caudalesTécnicas avanzadas para la evaluación de caudalesTécnicas avanzadas para la evaluación de caudalesTécnicas avanzadas para la evaluación de caudalesTécnicas avanzadas para la evaluación de caudalesecológicos en el ordenamiento sostenible deecológicos en el ordenamiento sostenible deecológicos en el ordenamiento sostenible deecológicos en el ordenamiento sostenible deecológicos en el ordenamiento sostenible de

cuencas hidrográficascuencas hidrográficascuencas hidrográficascuencas hidrográficascuencas hidrográficas

Advanced techniques for evaluating instream flows inAdvanced techniques for evaluating instream flows inAdvanced techniques for evaluating instream flows inAdvanced techniques for evaluating instream flows inAdvanced techniques for evaluating instream flows insustainable watershed managementsustainable watershed managementsustainable watershed managementsustainable watershed managementsustainable watershed management

Juan Manuel Diez Hernández1 y Liliana Burbano Burbano2.

RESUMENLa potencialidad de las corrientes fluviales ha fascinado al hombre por su capacidad para satisfacer las demandascrecientes del recurso hídrico superficial a escala temporal y espacial. Actualmente la idea de que los caudalesnaturales de un río deban reservarse para preservar el funcionamiento prístino del ecosistema resulta utópica, almenos en sociedades que progresan. Una ordenación eficaz del recurso hídrico se caracteriza por ser racional yecosistémica, con una gestión fundamentada en un régimen de caudales ecológicos (RCE) que compagina losusos del agua asegurando una condición aceptable del ecosistema. Este trabajo analiza la problemática de laregulación de caudales y aborda la necesidad de fijar los RCE para salvaguardar la integridad ambiental. Sepresentan los métodos para calcular caudales ecológicos y las pautas especificadas en la legislación colombiana.Con la pretensión de estipular un procedimiento para determinar los RCE en Colombia, se resume la metodologíaIFIM (Instream Flow Incremental Methodology), ampliamente utilizada en el mundo, y que consideramos aplicableen los sistemas fluviales locales. Finalmente, se concretan las pautas operativas básicas de IFIM y el procedimientoque optimiza el balance entre el coste y la confiabilidad de un estudio convencional de caudales ecológicos.

PPPPPalabras clave:alabras clave:alabras clave:alabras clave:alabras clave: caudal ecológico, IFIM, hábitat acuático.

ABSTRACTRivers' potential for satisfying growing water demands has always fascinated human beings. The current idea that ariver's natural flow should be reserved to conserve pristine dynamics is a utopian ideal, at least in countries havingestablished a certain level of progress. Effective watershed planning is characterised by being rational and ecological,employing management based on environmental flows (EF), combining water use and ensuring acceptable ecosystemconditions. This work addresses the environmental consequences of regulating rivers and focuses on the need to fix IFs toprotect fluvial systems' ecological integrity. The methods for calculating instream flows are presented as well as approachesprovisionally specified in Colombia's legislative framework. Instream flow incremental methodology (IFIM), which iswidely used around the world, is summarised to provide a basis for developing a procedure for determining IFs inColombia as it would seem applicable to local streams. IFIM basic operative rules are then summed up, as is theprocedure optimising the balance between a conventional instream flow study's costs and reliability.

KKKKKeywords:eywords:eywords:eywords:eywords: instream flow, IFIM, habitat.

Recibido: Julio 21 de 2005Aceptado: diciembre 21 de 2005

Introducción

La alteración del régimen natural de caudales

1 Ph.D. Ingeniero forestal, profesor, Unidad de Hidráulica e Hidrología, ETS, Ingenierías Agrarias, Universidad de Valladolid, Madrid (España)[email protected] Bióloga de la Universidad del Cauca, Colombia, especialización en evaluación de impacto ambiental y auditorías ambientales en la Universidad deValladolid, España. [email protected]

Las corrientes fluviales proporcionan valiosas utilidadesque han cautivado históricamente a las sociedades demanera distinta, dependiendo de las prioridades estipula-das y de la capacidad tecnológica del momento. El régi-men hidrológico natural de los ríos ha sido controlado

progresivamente para satisfacer las crecientes demandasde recurso hídrico a escala temporal y espacial, asociadasal ámbito agropecuario, la generación hidroeléctrica y elabastecimiento humano e industrial. La regulación de cau-dales se realiza mediante las intervenciones estructurales

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ligadas principalmente a los trasvases, derivaciones, pre-sas, minicentrales e infraestructuras asociadas. Respec-to a las emblemáticas grandes presas, el último informede la Comisión Mundial de Presas (WCD, 2000) conta-biliza más de 40.000 en el mundo, unas 980 enSuramérica y 49 en Colombia. Los servicios que propor-cionan estas obras en el país son indiscutibles: (1) gene-ran una hidroelectricidad que supone el 5,7% de la ofertaenergética nacional (IDEAM, 2001) y cubren el 68% delconsumo eléctrico global (WCD, 2000); (2) abastecende agua para el consumo doméstico y las actividadesagrícolas e industriales; (3) amortiguan las crecidas encuanto a la intensidad y duración; y (4) posibilitan activi-dades lúdico-recreativas.

La modificación del régimen hidrológico prístino ligada alas utilidades anteriores induce alteraciones significativasen la dinámica geomorfológica y en la integridad delecosistema fluvial. Es conocido que el caudal es una va-riable esencial que integra muchos procesos ambientalesy conforma el patrón estructural y funcional del ecosistema.La variación del caudal a escala temporal y espacial deter-mina los procesos ecológicos fundamentales del río y suribera asociada: (1) la disponibilidad, persistencia yconectividad del hábitat fluvial; (2) el grado de compe-tencia y prelación entre especies; y 3) la tasa de entrada,transformación y flujo de nutrientes y materia orgánica(Poff, 2004). Un régimen de caudales se define por cincocomponentes que incluyen la magnitud, frecuencia, du-ración, predictibilidad y tasa de variación (Poff y Ward,1989): la alteración de los valores naturales de cualquierade ellos perturba el funcionamiento, la estructura o lacomposición del ecosistema fluvial. Por otra parte, no esraro que una corriente regulada se encuentre tambiéncontaminada, dos adversidades evitables cuyo efectosinérgico menoscaba dramáticamente el estado ecológicodel sistema fluvial.

La relevancia del régimen de caudales ecológicos

La sociedad colombiana conoce con diferente grado deaproximación la información aportada por el Instituto deHidrología, Meteorología y Estudios Ambientales - IDEAMen su divulgado "Estudio nacional del agua" (IDEAM, 2000),donde se destaca que las condiciones hidrológicas delpaís determinan una de las mayores ofertas hídricas delmundo (58 L/s.km2), valor que triplica el promedio deLatinoamérica y sextuplica la media mundial. Sin embar-go, el análisis del Índice de escasez para aguas superficia-les (IES) que incluye el estudio revela que, paradójica-mente, cerca del 50% de la población urbana tiene ries-go de desabastecimiento en años hidrológicos interme-dios y hasta un 80% durante sequías prolongadas. El ám-bito científico, y progresivamente la sociedad colombia-na en su conjunto están demandando la práctica de unanueva cultura del agua que defienda la gestión integral,ecosistémica y solidaria del recurso hídrico. Esta nuevafilosofía propugna un aprovechamiento racional de los

bienes del río que salvaguarde valores intrínsecos cadavez más valorados, como son el ecológico, cultural, esté-tico, recreativo y deportivo. Para propiciar este avance esindispensable que los planes de ordenamiento de cuen-cas incorporen como una restricción inicial un régimende caudales ecológicos (RCE) en los tramos regulados,conformado por los valores del flujo mínimo capaz demantener el funcionamiento, la composición y la estruc-tura del ecosistema fluvial en unos niveles aceptables ycoherentes con la dinámica natural. El RCE imita lafenología prístina mediante una serie foronómica tempo-ral de escala y duración variable, definida en función dela adaptabilidad de la biocenosis fluvial a las variacionesdel hábitat determinadas por el caudal, que es capaz desalvaguardar la integridad ecosistémica mediante unosniveles de estructura y diversidad admisibles.

La necesidad de respetar unos caudales ambientales mí-nimos en Colombia se explicita en el actual proyecto deLey del Agua (Ministerio de Ambiente, 2006), que defi-ne el "caudal ecológico" como (Art. 21) "� los caudalesmínimos que, de acuerdo con los regímenes hidrológicos,deberán mantener las corrientes superficiales en sus di-ferentes tramos, a fin de garantizar la conservación de losrecursos hidrobiológicos y de los ecosistemas asociados".Adicionalmente, Colombia es signataria de varios conve-nios internacionales que incorporan de forma más o me-nos explícita el compromiso de respetar unos caudalesque protejan el patrimonio fluvial. El Convenio para laconservación de la diversidad biológica (Río de Janeiro,5/5/1992), ratificado en 1994 (Ley 165), señala la necesi-dad de preservar el patrimonio ecológico. El ConvenioRAMSAR (1971) reconoce la importancia de loshumedales en la conservación de la biodiversidad. Eldestacable programa "El hombre y la biosfera" promovidopor la Unesco (1971) estipula las directrices para el ma-nejo sostenible de la diversidad biológica. Además, Co-lombia se incorporó al Programa áreas importantes parala conservación de las aves (AICAS) en 2000, con la in-tención de estimular la conservación de zonas relevantespara la avifauna, cuya funcionalidad está vinculada a unrégimen de caudales ajustado. Otro acuerdo referenciales el de la Convención sobre la protección del patrimo-nio mundial, natural y cultural (1972), adoptado por Co-lombia en 1983 (Ley 45), que obliga a la protección delugares y recursos de interés mundial, entre los que seincluyen los cursos de agua.

Respecto de la terminología utilizable, juzgamos adecua-da la denominación general de "caudal ecológico", debi-do a su amplia comprensibilidad en ámbitos diversos, sibien asumimos que su rigor conceptual sería debatibledesde una perspectiva hidrobiológica estricta. En estesentido, la bibliografía recoge múltiples alusiones a estetipo de caudal, como las de "reservado", "regulado", "re-comendado", "mínimo", "mantenimiento" o "ambiental",las cuales se interpretan en la práctica análogamente alintuitivo y aceptado vocablo "ecológico". En cualquier caso,



un verdadero régimen de caudales ecológicos debe ana-lizar no solo los requerimientos mínimos de flujo de labiocenosis acuática, sino también las condiciones hidráu-licas máximas soportables (p. ej., aguas aba-jo de un aporte de caudal trasvasado). Ade-más, es necesario que integre otras espe-cificaciones de flujo precisas para preser-var la dinámica fluvial ("caudal generador"),asegurar la conexión periódicamultifuncional entre el cauce y las márge-nes ("caudal de inundación"), y manteneruna potencialidad adecuada del mediointersticial ("caudal de lavado").

Metodologías para cuantificarel caudal ecológico

Aunque a escala mundial tan solo alrededor del 0,1% de lainversión en recursos fluviales se destina a la investigación(Statzner et al., 1997), es destacable que existan más de200 metodologías diferentes para evaluar caudales ecológicosen más de 50 países (King, 2004), lo cual refleja la trascen-dencia y complejidad de esta faceta esencial de la conserva-ción ambiental de los ecosistemas acuáticos.

Estos métodos suelen agruparse en tres tipologías bási-cas, que enumeramos en orden creciente de aparicióny rigor conceptual como enfoques (Figura 1):hidrológicos, hidráulicos y ecohidráulicos. Los prime-ros procedimientos Hidrológicos aplican diversos trata-mientos estadísticos relativamente simples a las seriesforonómicas naturales, para deducir un "caudal míni-mo", en términos de porcentajes de algún estadísticode tendencia central, de percentiles de la curva deduración de caudales, o bien de periodos de retornoasociados a fragmentos reducidos de la serie temporal.Por su semejanza con los criterios apuntados en la pro-puesta normativa colombiana, resumimos el superadométodo NGPRP (Nothern Great Plains ResourceProgram; NGPR, 1974), que computa el caudalecológico de cada mes como el percentil 90 de la cur-va de duración de caudales medios diarios (Q90), unavez excluidos los valores extremos de los períodos se-cos y húmedos (caudal igualado o superado el 90% deltiempo). Una aproximación algo más avanzada es ladel método de Hoppe (1975), que integra los requeri-mientos biológicos de la ictiofauna para concretar lospercentiles ligados a tres finalidades básicas: provisiónde alimento y refugio (Q17), protección de la repro-ducción (Q40) y mantenimiento del cauce (Q80). Exis-ten planteamientos simplistas que deducen el caudalecológico como un porcentaje fijo del caudal medioanual (10%-20%) o de los caudales medios mensuales(30%), que están basados en concepciones del siste-ma fluvial excesivamente burdas y desaprobadas cien-tíficamente. En cualquier caso, la aplicación de estosmétodos en zonas disimilares a las que fundamentaron

sus desarrollos resulta problemático, habida cuenta dela profunda incertidumbre de sus recomendaciones.

Figura 1. Tipologías básicas de los enfoques metodológicos utili-zados para determinar Caudales Ecológicos. Los Hidrológicos rea-lizan un análisis simple de las series de caudales (p.ej. curvas deduración). Los Hidráulicos interpretan la relación entre una varia-ble hidráulica y el caudal. (p.ej. perímetro mojado). Los avanzadosmodelos Ecohidráulicos escrutan la relación funcional entre elhábitat físico acuático y el caudal.

Los métodos agrupados colectivamente como Hidráuli-cos examinan la variación de algunas variables del flujo(profundidad, velocidad, sustrato, perímetro) con el cau-dal en secciones transversales críticas de un tramo fluvial,con la finalidad de evaluar de forma aproximada el hábitatacuático generado dentro del rango de caudales norma-les. El método más genuino es el del "perímetro mojado"(Nelson, 1980), que desarrolla la relación funcional entreesta variable y el caudal en secciones de "rápidos", encuyo punto de cambio de pendiente marcado se localizael flujo mínimo. Un esquema predictivo determinanteen la evolución de las técnicas de evaluación de caudalesecológicos es el "método de Washington" (Collings, 1972),desarrollado para cuantificar el hábitat apto para la freza yalimentación de los salmónidos que genera un caudaldeterminado. El procedimiento se apoya en la represen-tación topográfica de un tramo fluvial mediante variassecciones transversales sucesivas, en las cuales se midenlas velocidades y profundidades en puntos interiores du-rante varios caudales. Con esta información de partida,se combinan los campos simulados de ambas variablespara un rango de caudales con los requerimientos cono-cidos de la ictiofauna, para obtener el campo de hábitatutilizable. Del análisis de la relación funcional entre lasuperficie del hábitat y el caudal se deducen: el caudalóptimo como el máximo de la curva, y el caudal mínimocomo el 70% del óptimo.

Las sofisticadas técnicas ecohidráulicas cuantifican la can-tidad y calidad de los hábitats acuáticos utilizables paraunas especies objetivo o conjunto de ellas (normalmentepeces o macroinvertebrados) bajo múltiples regímeneshidrológicos, y diferentes escenarios de estructura bioló-gica configurables. La metodología más completa, acredi-tada y utilizada en el ámbito mundial, es la IFIM (Instream

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Flow Incremental Methodology), promovida por el Servi-cio de Pesca y Vida Silvestre de EE UU (Bovee y Milhous,1978) como una técnica estándar multidisciplinar, coope-rativa, incremental y progresiva para ordenar racionalmen-te el agua superficial con un claro enfoque ecológico.IFIM se trata de un completo marco conceptual filosóficoavanzado, que incorpora enfoques ecohidráulicos yecohidrológicos avanzados con el objeto de evaluar losefectos de cambios incrementales de caudal en la estruc-tura del cauce, la calidad del agua, la temperatura y ladisponibilidad de hábitat físico utilizable, utilizando unacombinación de datos hidráulicos, hidrológicos y biológi-cos. Si bien IFIM fue desarrollada y aplicada inicialmenteen pequeñas corrientes de aguas frías con poblaciones desalmónidos al oste de EE UU, su empleo se ha extendido aotras zonas disimilares durante las dos últimas décadas.

En el contexto iberoamericano, las primerasaplicaciones de IFIM se realizan a finales de losaños ochenta en España y Portugal, países enlos que esta metodología ha sido contrastadaampliamente y su utilización es progresiva. Encualquier caso, un régimen de caudalesecológicos completo debe estar definido conun enfoque holístico, integrador de los reque-rimientos de flujo ligados a los múltiples pro-cesos ecosistémicos. Dependiendo de los valores prio-ritarios que se pretendan preservar en una aplicaciónconcreta, el RCE incorpora una combinación de dostipologías de caudales: (1) los biotipológicos, ligados alos componentes abióticos del ecosistema (calidad delagua, geomorfología, paisaje, etc.); y (2) losbiocenológicos, diseñados para preservar los componen-tes bióticos (peces, macrobentos, ribera, etc.).

Cálculo de caudales ecológicos en Colombia

Actualmente las directrices para fijar los RCE en Colom-bia se concretan con claridad en el Art. 21 del proyectode Ley del Agua (Ministerio de Ambiente, 2006), quedesigna al IDEAM para diseñar los lineamientos definiti-vos en esta materia. Hasta que eso se produzca, se plan-tea un procedimiento hidrológico con una concepciónsimple del sistema fluvial (Figura 2), que considera comocaudal ecológico "�el valor de permanencia en la fuentedurante el 90% del tiempo�". Anteriormente la Resolu-ción 0865 del Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desa-rrollo Territorial (2004), que detalla la metodología decálculo del índice de escasez, plantea dos métodoshidrológicos para calcular el caudal ecológico. El primerose basa en el Estudio Nacional del Agua (2000), y compu-ta el caudal medio diario promedio de 5 a 10 años cuyaduración es igual o mayor del 97,5%, que se compruebacorresponde a un período de retorno asociado de 2,3años. El segundo enfoque vincula el caudal mínimo a unporcentaje aproximado al 25% del caudal medio mensualmultianual menor de la corriente estudiada.

Una aproximación teórica a los criterios y metodologíaspara la determinación de caudales ecológicos en el paísse expone en el trabajo analítico de Trujillo (1995). Encuanto a trabajos técnicos, conocemos dos aplicacionesmodélicas de IFIM que supervisamos en ríos del Cauca(Campo y Hernández, 2001; Daza, 2002), lo cual noquiere decir que no existan otros estudios interesantes. Anuestro juicio, es conveniente que el marco normativoreferencial en materia de caudales medioambientalesprecise de unas directrices rigurosas basadas en la "mejorpráctica" aceptada científicamente, que estén alejadas depercepciones de la corriente excesivamente simplistas, yse fundamenten en métodos de cálculo que integren lasdiferentes necesidades de caudal del ecosistema: aun-que IFIM no sea la panacea, pero de momento las inves-tigaciones demuestran que es el método "menos malo"con carácter general.

Figura 2. Lineamientos provisionales para determinar el Régimende Caudales Ecológicos vinculados al Proyecto de la Ley del Agua deColombia (2006). Estos tres métodos hidrológicos calculan un cau-dal mínimo asociado al percentil 90 de la curva de duración (izqda.),a la recurrencia de 2.3 años (centro), o bien al porcentaje aproxima-do de 25% del caudal medio mensual multianual menor (dcha).

Esquema operativo de la metodologíaincremental IFIM

Seguidamente, se extracta el procedimiento operacional yanalítico de un estudio IFIM convencional de caudalesecológicos, el cual se detalla en los manuales referenciales(Bovee y Milhous, 1978; Bovee et al., 1997). El protocolode caracterización fluvial de una modelación IFIM se iniciacon tipificación e inventariación de los diferentes hábitatsecohidráulicos existentes en un tramo concreto (Figura 3).Conceptuando como "hábitat" un área relativamente ho-mogénea con una velocidad, profundidad y sustrato carac-terísticos (Roussel y Bardonnet, 1997), existen múltiplestipologías con nivel de detalle variable en función de lasparticularidades del estudio. En una aproximación básicapara arroyos vadeables, se clasifican como "rápidas" las zo-nas con control hidráulico de cauce sin remanso, donde lasuperficie libre es prácticamente paralela al lecho, y la co-rriente es agitada, somera (<30cm) y rápida (>30cm/s).Las "tablas" son lugares sin remanso ni obstrucciones, don-de la corriente es ligeramente agitada, veloz y algo másprofunda (30-60 cm). En los "remansos" se produce con-trol hidráulico de sección y un marcado remanso, en elque la corriente es lenta (<30 cm/s) y profunda (>60 cm).



Cada tipo de hábitat identificado se representa en el es-tudio mediante un número variable de secciones trans-versales, que se levantan topográficamente mediante almenos 20 puntos para conseguir unas resoluciones acep-tables. En cada estacionamiento se reconoce el sustratoy se mide la velocidad media de la corriente con unmolinete hidráulico, siguiendo el procedimiento estándar(Rantz, 1982): directamente con la lectura al 60% delcalado (profundidad < 75cm), promediando las lecturasal 20% y 80% (prof. 75 cm - 120 cm), y como la mediaponderada de las tres mediciones anteriores duplicandoel peso de la primera (prof. >120 cm). Con la captura deesta información de campo (Figura 4) se conforma unsistema de representación del cauce en forma de mallaestructurada en múltiples prismas cuadrangulares ("cel-das"), que abarca todo el dominio modelable.

Con esta información de partida se desarrolla la simula-ción hidráulica de cada sección transversal, en la que sepredicen sucesivamente los campos de profundidades yde velocidades para un amplio rango de caudales defini-do. Los esquemas numéricos que reúne IFIM permitenresolver los flujos permanentes asumidos normalmente,mediante aproximaciones de régimen uniforme o gra-

F igura 3. Arriba: Inventariación fluvial de un tramo de alta-pen-diente: el técnico identifica y mide cada uno de los hábitats presen-tes desde la orilla. Abajo: Detalle de un hábitat tipo "cascada", consustrato muy grueso de bolos (>25cm) y grandes bloques(>100cm), que produce un flujo turbulento y rápido (>60cm/s).Fotos del autor (río South Fork Stanislaus, California-EEUU).

dualmente variado, en una tipología diversa de ambien-tes ecohidráulicos. Estas técnicas de modelación delmicroentorno hidráulico se calibran en cada sección conlas mediciones de un número variable de niveles de su-perficie libre (NSL) y de distribuciones horizontales develocidades medias ligadas a los puntos del levantamien-to topográfico, con objeto de representar aceptablementeel rango de caudales examinado.

Figura 4. Arriba: Levantamiento topográfico de una sección trans-versal en una "tabla", mediante una nivelación clásica (río Carrión,España). Abajo: molinete hidráulico mecánico de copas, monta-do en un soporte de vadeo. Fotos del autor.

Las profundidades simuladas para un caudal determinado(Figura 5a) derivan del correspondiente NSL, deducidode la curva de calibración de la sección, la cual se generamediante alguno de los siguientes esquemas de soluciónpara un flujo permanente, que consideran la variacióninherente de la rugosidad con el caudal en corrientesnaturales: 1) la conocida ecuación de Manning para un régi-men uniforme, aplicada con una conductividad variable enun área de flujo efectiva (modelo MANSQ); 2) método del"paso estándar" para un régimen gradualmente variado ensecciones compuestas, con un patrón definido de variacióndel coeficiente de Manning con el caudal (modelo WSP); 3)ajuste de regresión lineal biogarítmica de mínimos cuadra-dos entre el NSL y el caudal (modelo STGQ); o bien la 4)entrada directa de las predicciones con otras técnicas exter-nas (p. ej., HEC-RAS). Como referencia, los estudios de

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caudales ambientales IFIM-PHABSIM normalmente incor-poran unos errores de simulación absolutos del orden de3 mm a 6 mm (Waddle, 2001), y valores relativos meno-res del 1% en varias condiciones ecohidráulicas básicas(Díez Hernández, 2004a).

Durante la simulación de velocidades (Figura 5b), se con-ceptúa cada sección transversal como compuesta demúltiples celdas, cada una de ellas centrada en una delas verticales asociadas a los puntos del perfil transversal.En cada celda se asume un flujo unidimensional perma-nente y uniforme estricto, que se resuelve mediante dosmétodos numéricos configurables que emplean diferen-te número de distribuciones horizontales de velocidadesobservadas. El primer enfoque, denominado "1-veloci-dad", utiliza solamente una distribución de velocidades,y modela el flujo mediante una formulación conjunta delas ecuaciones de Manning y continuidad, simplificadaen cada celda (el radio hidráulico se iguala a la profundi-dad) para deducir un coeficiente de rugosidad que seconsidera constante. En ausencia de velocidades obser-vadas, el segundo método, "no-velocidad", aplica en to-das las celdas la misma expresión que "1-velocidad", perocon unos coeficientes de rugosidad prefijados por elmodelador para lograr un cumplimiento aceptable de laconservación de masa. En cualquier caso, las velocidadescalculadas con las técnicas anteriores se multiplican porun factor de ajuste de la velocidad (FAV), para conformar

Figura 5. Modelación hidráulica convencional (1D) de una seccióntransversal desarrollada en los estudios IFIM de Caudales Ecológicos.(a) Simulación de las profundidades derivadas de los Niveles deSuperficie Libre (NSL) en el rango de caudales analizables. (b)Simulación de la distribución horizontal de velocidades asociada acada caudal; el dominio de flujo queda discretizado mediante cel-das centradas en las verticales ligadas a los puntos topográficos.

una distribución de velocidades más coherente con elflujo simulado. En esencia, el FAV se trata de un algorit-mo que reparte la diferencia entre el caudal calculadocon las velocidades simuladas y el caudal simulado, entretodas las celdas, proporcionalmente a sus conductividades.

Recientemente Díez Hernández y Martínez de Azagra(2004a) han desarrollado un modelo de velocidades com-plementario denominado "LogD", que aplica la ley universalde distribución de velocidades de Prandtl-von Kármán (verGraf y Altinakar, 1998; pp. 43) en diferentes algoritmos,dependiendo del número de distribuciones horizontales develocidad disponibles. Los resultados obtenidos en variosríos de España y EE UU revelan unas capacidades predictivasde las modalidades de "LogD" superiores a las de los méto-dos homólogos convencionales, reduciendo el error de si-mulación en torno al 5% cuando se dispone de velocidades(1-vel) y al 3% en ausencia de mediciones (no-vel).

El componente biológico de IFIM estriba en las "curvasde preferencia", que reproducen el grado de adecuaciónde un organismo y estadio vital respecto de las variablesque determinan su hábitat físico, evaluado mediante uncoeficiente que varía de cero a uno (Figura 6). Normal-mente se utilizan las curvas de peces, aunque tambiénexisten para insectos, crustáceos, moluscos, reptiles, an-fibios, perifiton, aves, e incluso recreación. Las variablesimprescindibles son la profundidad y la velocidad, perose suele incorporar el sustrato y ocasionalmente otrasmenos comunes (temperatura, número de Froude, etc.).

Figura 6. Curvas de preferencia referenciales para la velocidad yprofundidad de la trucha arco iris (Onchorrhynchus mykiss), ela-boradas originalmente por Bovee (1986).



La modelación ecohidráulica del hábitat acuático se realizacombinando adecuadamente los campos simulados de pro-fundidades y velocidades con las curvas de preferencia dela/s especie/s objetivo, para desarrollar las decisivas relacio-nes funcionales entre el caudal (Q) y un "índice de hábitat(IH)" que evalúa la calidad conjunta del microhábitat. Enprimer lugar, se calcula el "Coeficiente de Conformidad"("Ci") de cada celda ("i"), mediante la agregación multiplicativade los coeficientes correspondientes a las variables analiza-das (p. ej.: v=vel., p=prof., s=sust.): Ci=Cvi * Cpi * Csi. ElÍndice de Hábitat de una sección ("IHs") se computa normal-mente agregando las contribuciones individuales de todaslas celdas mojadas durante cada caudal simulado, mediantela siguiente expresión: IHs = (Ci * Ai), donde "Ai" es laanchura superficial de una celda. Existen otros sistemas deponderación del microhábitat menos utilizados, que utilizanel perímetro mojado o el volumen de una celda. La calidady cantidad del hábitat acuático físico utilizable para un orga-nismo determinado durante un caudal modelado se evalúamediante el IH total, que se calcula ponderando los IHs detodas las secciones transversales en función de las longitu-des fluviales que representan (Ls): IH = (IHs * Ls). Repi-tiendo este proceso con cada uno de los flujos que se de-sean simular y para las curvas de preferencia seleccionadas,se obtienen las conocidas relaciones Q-IH, a partir de lascuales se determinan los caudales ecológicos convenientespara cada organismo y estadio vital (Figura 7). El rango desimulación máximo recomendado para obtener unas rela-ciones confiables está comprendido entre el 40% del cau-dal observado menor y el 250% del caudal mayor, habidacuenta de que las extrapolaciones exteriores generan erro-res hidráulicos excesivos (Bovee y Milhous, 1978). Enecosistemas fluviales con estructura relativamente simple oen estudios enfocados a favorecer una especie concreta, elanálisis se resuelve con unas pocas curvas de preferenciapertenecientes a la especie "objetivo". Sin embargo, el estu-dio de comunidades diversas se complica, puesto que sedeben encontrar unos caudales que equilibren las necesida-des de todas las especies (a veces contrapuestas), lo queexige el escrutinio de más relaciones Q-IH.

Figura 7. Relaciones Caudal - Índice de Hábitat (Q-IH) para loscuatro estadios de la trucha común (Salmo trutta) en un tramoregulado del río Carrión (Barrios de la Vega, España). Los puntosde inflexión o zonas con disminución notable de la pendientedefinen los Caudales Mínimos Óptimos asociados a cada curva.

Cada colectivo implicado en la gestión del agua persigueintereses distintos y propone alternativas acordes con losmismos. Como habitualmente las conveniencias de losgrupos son contrapuestas, la mejor alternativa de ordena-ción hídrica es fruto de una negociación en la que se acuerdala opción que satisface del mejor modo los objetivos detodos los colectivos en términos de efectividad, factibilidad,riesgo y valoración económica. Para este proceso resultamuy útil la serie temporal de hábitat (STH), que representala evolución del índice de hábitat (IH) en el tiempo, bajouna alternativa determinada (Figura 8). Para su elaboraciónse combina cada caudal individual de la serie temporal decaudales (STC) con su valor de IH correspondiente, dedu-cido de la función IH-Q precalculada.

Figura 8. Elaboración de la Serie Temporal de Hábitat (STH) de prome-dios mensuales, para la trucha común (Salmo trutta) correspondiente alrégimen actual de caudales regulados en el río Carrión (Barrios de laVega, España). Cada caudal de la Serie Temporal de Caudales (arriba,p.ej. mes 6=10m3/s) se combina con su valor de hábitat asociado en laRelación IH-Caudal (medio, p.ej. 10m3/s=6000), y se representa en laSerie Temporal de Hábitat (abajo, p.ej. 6000).

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En cualquier caso, el análisis de las STH no es sencillo,porque normalmente se comparan alternativas correspon-dientes a varias especies y estadios. Además, no es raroque una alternativa favorezca a un organismo pero perju-dique a otro, por lo que resulta difícil predecir la varia-ción del IH en una comunidad. Acumulando los valoresdel IH generados en cada alternativa a lo largo de unperíodo de tiempo, se obtiene el índice de hábitat acu-mulado (IHA), que suele representarse gráficamente me-diante histogramas, para analizar el efecto de cada alter-nativa en el conjunto de la población (Figura 9).

Figura 9. Comparación de los Índices de Hábitat Acumulado (IHA)generados para los cuatro estadios de la trucha común (Salmotrutta) en el río Carrión (Poza de la Vega, España), mediante elrégimen Actual de caudales y el Régimen deCaudales Ecológicos. La solución ecológicadisminuye el caudal adicional que circulaactualmente durante la campaña de riego(aprox. mayo-septiembre), el cual provocaun flujo artificial demasiado rápido que re-sulta inconveniente para el sistema ecológico.El efecto beneficioso del RCE se demuestraen términos del aumento sustancial delhábitat (IHA) en todos los estadios.

El modelo hidrobiológico que incluyeIFIM resulta una herramienta valiosaen los trabajos técnicos de mejora delhábitat fluvial y restauración de ribe-ras. Mediante la aplicación informáti-ca RHABSIM© versión 3 en español(TRPA, 2004) es posible generar unapanorámica en planta del tramo estu-diado, diferenciando las múltiples cel-das establecidas según el sistema decaracterización unidimensional (Figura10). Examinando los coeficientes de conformidad de lasceldas, se definen intervalos asociados a colores intuitivos,con lo que se obtiene una "fotografía" del hábitat acuáti-co disponible para un organismo determinado duranteun caudal simulado. Esta posibilidad facilita al técnico latoma de decisiones considerablemente, verbigracia en loque se refiere a la ubicación idónea de frezaderos artifi-ciales, deflectores de corriente, refugios para peces, lim-pieza del medio intersticial, estabilización de márgenesmediante bioingeniería, etc.

Figura 10. Captura de una pantalla del paquete informáticoRHABSIM© en español (TRPA, 2004) presentando algunos gráfi-cos de la modelación IFIM. Arriba: navegador del programa,desde el que se accede a los diferentes módulos. Abajo izqda.:modelación hidráulica de una sección transversal, que incluyelos Niveles de Superficie Libre y las distribuciones de velocida-des. Abajo dcha.: Vista en planta del hábitat generado en eltramo por un caudal simulado, que muestra las celdas mojadasde todas las secciones, codificadas con color según el rango desus Coeficientes de Conformidad.

Pautas básicas para fijar los caudalesecológicos en Colombia

A continuación se exponen las recomendaciones genera-les principales que se refieren al marco conceptual yprocedimental que juzgamos conveniente para determi-nar RCE en Colombia, teniendo en cuenta las particulari-dades ecohidrológicas e hidráulicas de los sistemas flu-viales del país y el contexto socioeconómico a consideraren los planes de ordenamiento de cuencas. Estas ideasderivan de las experiencias propias en estudios de cauda-les ambientales en ríos de tipologías ecohidráulicas diver-sas (España, EE UU y Colombia), así como de los conoci-mientos asimilados de la literatura internacional.

En primer lugar, es necesario que la legislación en mate-ria del agua se refiera a un régimen de caudales ecológicos(RCE), con caudales variados en las diferentes épocas delaño y adecuados para los distintos estadios vitales y com-posiciones del ecosistema.

Un RCE completo debe incluir unas crecidas ordinariasprogramadas, asociadas a una recurrencia coherente conlas dinámicas geomorfológicas y ecológicas locales. Eneste sentido, las experiencias en España (CEDEX, 1994)asocian a estos flujos un periodo de retorno calculabledentro del intervalo de 1,1 a 9,8 años. La duración deestas avenidas artificiales para remover los sedimentos y



conservar la morfología del cauce que se recomienda enla literatura es variada: desde un mínimo de 24 horas(Gore y Petts, 1989) hasta una persistencia entre 2 y 4días (Milhous, 1998), si bien parece lógico, desde un ra-zonamiento hidrológico, que sea mayor que el tiempode concentración de la cuenca.

En instalaciones hidroeléctricas es primordial que el RCEcontemple unas tasas máximas de cambio de caudal porunidad de tiempo, para evitar el arrastre de organismos(peces, anfibios y macroinvertebrados) durante el incre-mento de caudal, así como el aislamiento durante la fasede recesión. El procedimiento más lógico, para fijar estoslímites consiste en observar los hidrogramas de las creci-das naturales de la cuenca y deducir el intervalo asociadoa los fenómenos ordinarios. A modo de ejemplo, algunalegislación regional en España explicita una tasa de varia-ción máxima del 5% por minuto.

Los métodos hidrológicos para estimar caudales ecológicosprecisan de una información foronómica representativa yfiable (extensa), que no siempre está disponible en lostramos fluviales a estudiar. La carencia de una integraciónexplícita de los requerimientos de hábitat de la biocenosisfluvial propia de cada río confiere a estos métodos unanotable incertidumbre, que los hace muy poco eficacespara una negociación encuadrada en la gestión ecosistémicadel agua que se propugna progresivamente en el país.

Un marco normativo avanzado en la gestión del aguadebe concretar los criterios y las metodologías para de-terminar los RCE que estén más aceptados científica-mente y favorezcan la negociación entre los distintoscolectivos implicados en la gestión del recurso. Por elmomento, la metodología más contrastada y aplicadaen el mundo es la IFIM, herramienta que consideramosidónea para incorporar los RCE en la planificación decuencas en Colombia. Existe un protocolo de caracteri-zación en campo para los análisis IFIM que optimiza elbalance entre la exactitud y el costo de un estudio, elcual ofrece unos resultados confiables en las aplicacio-nes ordinarias para calcular RCE de precisión estándar.Por su aplicabilidad en las corrientes de Colombia, seresumen a continuación las pautas fundamentales:

- El valor medio referencial de secciones transversalesa utilizar en un estudio IFIM convencional de RCE esde 18-20 en tramos hidráulicamente complejos y de6-10 en ambientes simples. Nuestras experiencias co-rroboran esta práctica, evaluada en el exhaustivo es-tudio de Payne (2003), puesto que con esas intensi-dades de muestreo hemos obtenido unas relacioneshábitat-caudal consistentes.

- Resulta crucial una inventariación fluvial correcta paraque la modelación ecohidráulica incorpore todos loshábitats existentes en el tramo, en forma de seccio-nes transversales. Una tipificación fluvial básica y quehemos comprobado efectiva, consta de los siguientes

hábitats: rápidos, tablas (lentas/rápidas), remansos(vadeables/no vadeables) y áreas no modelables (p. ej.cascadas). En cualquier caso, ninguna sección transversaldebe representar más del 5%-10% de la longitud total.

- La información hidráulica de campo mínima que sedebe capturar en cada sección transversal consiste en:1) un mínimo de tres caudales y sus correspondientesniveles de superficie libre; 2) una distribución de ve-locidades medida durante un caudal alto medible conseguridad. Además, se caracteriza el material del le-cho en cada celda con un sistema coherente con lacurva de preferencia empleada.

- Dependiendo de la diversidad del ecosistema se pue-den utilizar curvas de preferencia de unas pocas es-pecies identificables como "objetivo" (composición sim-ple) o bien de "gremios" que aprovechan un hábitatcomún (más compleja). Los criterios de preferenciagremiales representan las condiciones ecohidráulicaspreferidas por ciertos grupos de especies, conocida latendencia de algunos organismos a utilizar el hábitatacuático de la misma forma (Bain y Knigh, 1996). Así,combinando intervalos de profundidades y velocida-des hemos empleado (Diez Hernández y Martínezde Azagra, 2004b) las curvas de "gremios" para zonas(1) someras y rápidas, (2) someras y lentas, (3) pro-fundas y lentas, y (4) profundas y rápidas.

Siguiendo este protocolo de caracterización, hemos com-probado que se obtienen modelaciones ecohidráulicasconfiables para los estudios IFIM de caudales ecológicosnormales de precisión estándar. No parece necesario in-corporar información de campo adicional, puesto que nomejora la fiabilidad del análisis significativamente (Payne,2003; Díez Hernández, 2004a). En su lugar, es preferibledestinar esos recursos para obtener una inventariación flu-vial más acertada y unas curvas de preferencia fidedignas.

Las recomendaciones anteriores no pretenden ser en modoalguno unas directrices rígidas para la determinación decaudales ecológicos en Colombia, sino una informaciónreferencial extractada, que está fundamentada en los avan-ces científicos conseguidos durante las dos últimas dosdécadas en el campo de la modelación del hábitat fluvial.Es previsible una intensificación progresiva de la regula-ción de caudales en las corrientes de Colombia, provoca-da por el desarrollo creciente de actividades ligadas a lamejora del bienestar socioeconómico. Por este motivo,parece indudable que el régimen de caudales ecológicoses un componente esencial del ordenamiento sosteniblede cuencas hidrográficas, y su importancia es cada vezmás reconocida por una sociedad cuya conciencia am-biental va en aumento.

Dos aspectos básicos para la correcta gestión ecosistémicadel agua mediante RCE son: 1) la selección de un proce-dimiento de cálculo avanzado que integre los requeri-mientos ecológicos del ecosistema y esté ampliamentecontrastada científicamente; así como 2) la estandarización

DIEZ, BURBANO


del proceso operativo para la caracterización fluvial, elprocesamiento de los datos, la interpretación de los re-sultados y el análisis de las alternativas. Aprender de loserrores cometidos en otros países posibilita la eleccióndel método idóneo para asignar caudales ambientales enColombia. La tendencia a escala mundial se ha alejadode soluciones rápidas con percepciones simplistas del sis-tema fluvial, y se centra en esquemas predictivos cimen-tados en modelos hidrobiológicos como IFIM, capacesde generar soluciones que conjugan los interesesconservacionistas y desarrollistas alrededor de los ríos.Pensamos que, aunque la metodología IFIM no es la pa-nacea, resulta plenamente aplicable en Colombia, y suefectividad puede mejorarse optimizando la adaptacióna las condiciones ambientales particulares.

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