TALLER SOBRE BALANCE HÍDRICO Y MODELAJE PARA GESTIÓN DE CUENCAS Modelación de la Cuenca Pucara-Cochabamba y Modelación realizada como estudio base para 11 macrocuencas en Bolivia

Fernando Arturo Ledezma Perizza MSc. in Geoinformatics Docente Investigador Centro del Aguas y Saneamiento Ambiental FCYT-UMSS e-mail: [email protected]

Abril 2011

Temas de abordaje I.

Experiencia y resultados de la modelación de la cuenca Pucara, Cochabamba II. Compartir resultados del ejercicio SWAT y Modelación realizada como estudio base para 11 macrocuencas Bolivia III. Propuestas para el Plan Nacional de Cuencas en el campo de modelaje

Fundamentos

3

CONCEPTOS BÁSICOS RELACIONADOS A LA MODELACIÓN Un modelo es: Una representación simplificada de la realidad

Puede ser muy sencillo

ó muy Complejo

CONCEPTOS BÁSICOS RELACIONADOS A LA MODELACIÓN Los modelos deben ser calibrados y validados CALIBRACIÓN

calibrar: con el objetivo de disminuir las diferencias entre lo observado y lo modelado

Se busca mejorar el ajuste entre los valores observados y los valores modelados de la variable de salida de interés, al variar reiterativamente los parámetros del modelo (dentro de rangos realístas) VALIDACIÓN

Una vez logrado una adecuada calibración, se evalúa nuevamente el ajuste del modelo, para un nuevo set de variables de entrada y salida, SIN ajustar los parámetros previamente calibrados

una primera calibración podría basarse en una interpretación visual de los hidrogramas (comparación de caudales simulados y observados), aunque para aplicaciones mas avanzadas se hará uso de indicadores estadísticos tales como RMSE, MAE, NashSutcliffe para guiar el proceso de calibración

CRITERIOS EN LA SELECCIÓN DE UN MODELO PARA UNA DETERMINADA APLICACIÓN Dos consideraciones importantes en la selección de un modelo para una determinada aplicación son: 1) ¿Cuáles son las preguntas que quiero contestar?

NECESIDAD / APTITUD 2. ¿Cuál es la disponibilidad de datos para mi área de estudio, y ¿Cuáles son los requerimientos de los distintos modelos con respecto a disponibilidad de datos? FACTIBILIDAD

CRITERIOS EN LA SELECCIÓN DE UN MODELO PARA UNA DETERMINADA APLICACIÓN Basado en lo anterior, también nos podemos preguntar: 1) Escala / resolución temporal de mi simulación entradas / salidas: DATOS DIARIOS? MENSUALES? PROMEDIOS ANUALES? 2) Escala / resolución espacial de mi simulación entradas / salidas: CUENCA? SUBCUENCA? MICROCUENCA? PARCELA o “PIXEL”?

¿Cómo seleccionar el modelo hidrológico más apropiado? Tener encuenta: → ¿Cuáles son los problemas que queremos resolver?

Antecedentes

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Asistencia Técnica No Reembolsable (ATNR)

En el marco de estos esfuerzos, y en respuesta a una solicitud del Estado Plurinacional de Bolivia, entre enero 2009 y mayo 2010 el Banco Mundial llevó a cabo una Asistencia Técnica No Reembolsable (ATNR) Buscando el “Fortalecimiento de Capacidades para la Adaptación a la Variabilidad y al Cambio Climático en el Ámbito de los Recursos Hídricos.”

La ATNR tuvo un doble propósito: (i) fortalecer la capacidad de las instituciones que trabajan en la temática de cambio climático y recursos hídricos para el uso y aprovechamiento de herramientas de modelación y planificación que les permita identificar y evaluar la vulnerabilidad actual y futura al cambio climático para los recursos hídricos y las posibles medidas de adaptación basados en insumos técnicos sólidos; y (ii) fomentar la inclusión de la adaptación al cambio climático en la definición de políticas de manejo y uso de los recursos hídricos.

Principales Instituciones y Contrapartes del Banco Mundial  Vice-ministerio de Medio Ambiente, Biodiversidad y Cambio Climático  Vice-ministerio de Ciencia y Tecnología  Vice-ministerio de Recursos Hídricos y Riego Instituciones que contribuyeron a enfocar el alcance y la metodología y participaron en actividades de capacitación fueron:    

   



Servicio Nacional de Meteorología e Hidrológica Universidad Mayor de San Andrés Universidad Mayor de San Simón Universidad Autónoma Tomas Frías Fundación PROINPA Colegio de Ingenieros Agrónomos Bolivia (filial Cochabamba) Organizaciones no gubernamentales Cooperación Internacional Centro Digital de Recursos Naturales de Bolivia

Participación de Talleres en Bolivia • Abril 2009 - Taller de sistematización de datos para la modelación. • Junio 2009 - Módulo sobre herramientas de modelación/planificación. • Julio 2009 - Módulo de modelación SWAT cuencas Tarapaya, Pucara, y Titicaca. • Septiembre 2009 – Curso modelación de escenarios climáticos. • Mayo 2010 - Taller Sobre Cambio Climático y Recursos Hídricos – Resultados Preliminares

Microcuencas Ejercicios realizados en Talleres de Bolivia

Modelaciónes realizadas

1. Lago Titicaca La Paz

2. Pucara Cochabamba

3. Tarapaya Potosí Pucara Lago Titicac a Tarapa ya

En esta Presentación

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Macrocuencas realizado en Washington -USA

Beni Desag-Poop-Coip Grande Ichilo-Mamoré Itenez Madera Madre de Dios-Or Paraguay PilcomayoBermejo 10. Salar de Uyuni 11. Titicaca Bolivia

Parte I Cuenca Pucara-Cochabamba

15

Ubicación del Área de Estudio

Cuenca Pucara-Cochabamba

Nacional

Departamental

Selección de la Cuenca Se evaluó la DISPONIBILIDAD DE DATOS •Climatológicos: pp, T, HR, viento (vel, dir), •Geomorfología, •Uso tierra, geomorfología, •DEM, •Ubicación de comunidades, •Zonas de sistemas de producción dominante. Fuentes •PROINPA, •PRIV, •SENAMHI, •Centro AGUA Selección del Software •Costo? Soporte? Entre otros…

Estaciones y Uso de Suelo

Modelo Digital de Terreno y Tipo de Suelo

Resultados

1 123 245 367 489 611 733 855 977 1099 1221 1343 1465 1587 1709 1831 1953 2075 2197 2319 2441 2563 2685 2807 2929 3051 3173 3295 3417 3539 3661 3783 3905 4027 4149 4271 4393 4515 4637

Caudal Simulado

1,40E+02

1,20E+02

1,00E+02

8,00E+01

6,00E+01 Series 1

4,00E+01

2,00E+01

0,00E+00

1 98 195 292 389 486 583 680 777 874 971 1068 1165 1262 1359 1456 1553 1650 1747 1844 1941 2038 2135 2232 2329 2426 2523 2620 2717 2814 2911 3008 3105 3202 3299 3396 3493 3590 3687 3784 3881 3978 4075 4172 4269 4366 4463 4560 4657

Escorrentia

1.40E+02

1.20E+02

1.00E+02

8.00E+01

Series1

Series2

6.00E+01

Series3

4.00E+01

2.00E+01

0.00E+00

Simulado vs Observado 45.000 40.000

35.000 30.000 25.000 Series1

20.000

Series2

15.000 10.000 5.000 0.000 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55

Experiencias y recomendaciones 1. 2. 3. 4.

Hacer una calibración por etapas Mejorar los datos Hidrología de las cuencas aportantes Incorporar datos de la Hidrología de las cuencas laterales Interpretar con el Uso de agua (irrigación/doméstico) Operación embalses/canales de distribución

Desafíos para seguir desarrollando e incorporando en el modelo: 1. ¿Niveles de bombeo (acuíferos)? 2. ¿Calidad del agua?

PARTE II Modelación realizada como estudio base para 11 macrocuencas en Bolivia

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Área de estudio y Características Básicas de las 11 Macro-Cuencas

Fuentes: Superficie y altitud, de cálculos propios de la modelación. Población del Instituto Nacional de Estadísticas (INE)

Fuente: Informe Vol. I - Banco Mundial Diciembre 2010, Estado Plurinacional de Bolivia - Construyendo Herramientas para Evaluar Vulnerabilidades y Estrategias de Adaptación al Cambio Climático en el Sector de Recursos Hídricos de Bolivia

Estaciones 127 estaciones (Tmax, Tmin,P) iniciales SENAMHI = 82, NOAA = 33 NASA = 12

Línea base original -1989-2008 (93) Línea base final-1996-2008 (82)

Fuente: Informe Vol. I - Banco Mundial Diciembre 2010, Estado Plurinacional de Bolivia - Construyendo Herramientas para Evaluar Vulnerabilidades y Estrategias de Adaptación al Cambio Climático en el Sector de Recursos Hídricos de Bolivia

Datos para calibrar - Estaciones de Aforo

Fuente: Informe Vol. I - Banco Mundial Diciembre 2010, Estado Plurinacional de Bolivia - Construyendo Herramientas para Evaluar Vulnerabilidades y Estrategias de Adaptación al Cambio Climático en el Sector de Recursos Hídricos de Bolivia

Datos de entrada …

FAO Soil – 70 classes

Uso de Suelos – 336 usos Super Intendencia Agraria 2000

Datos de entrada …

DEM (Mapa de Elevación digital) NASA (90 m Resolución)

Metodologia - Procesamiento de cursos de aguas y delimitación de sub-cuencas hidrográficas

Mapa Digital de Elevación Topográfica

Mapa de Límites de Macro-cuencas

Mapa de Cursos de Agua y Delimitación de las sub-cuencas

Metodología - Desarrollo del modelo hidrológico y calibración del modelo

Balance Hídrico 1997 - 2008 Registros de aforo 1998 - 2008

FFCB, Manning coeficiente, GWQmn. ESCO, REVAPMN, … etc

Resultados

Impactos en el Balance Hídrico 2050s Para el Escenario Seco

Fuente: Informe Vol. I - Banco Mundial Diciembre 2010, Estado Plurinacional de Bolivia - Construyendo Herramientas para Evaluar Vulnerabilidades y Estrategias de Adaptación al Cambio Climático en el Sector de Recursos Hídricos de Bolivia

Impactos en el Balance Hídrico 2050s Para el Escenario Húmedo

Fuente: Informe Vol. I - Banco Mundial Diciembre 2010, Estado Plurinacional de Bolivia - Construyendo Herramientas para Evaluar Vulnerabilidades y Estrategias de Adaptación al Cambio Climático en el Sector de Recursos Hídricos de Bolivia

Legend Bolivia_CC_Merge WSI base lagos y salares (ET>P) Sin Población 0 - 600 601 - 1000 1001 - 1700

Índice de estrés hídrico per cápita bajo cambio climático

1701 - 3000 3001 - 6000 6001 - 10000 10001 - 50000 > 50000

Línea Base

Futuro sin CC

Fuente: Presentación de Resultados Preliminares – Taller Banco Mundial Mayo 2010

Futuro con CC - Seco

Cambios de Precipitación Bajo Cambio Climático al 2050s Escenario Húmedo

Legend

Escenario Seco

Bolivia_CC_Merge % Cambio en Precipitación -13 - -10 -9 - -8 -7 - -6 -5 - -3 -2 - 0 1-2 3-4 5-6 7 - 10 11 - 14

Fuente: Presentación Resultados Preliminares – Taller Banco Mundial Mayo 2010

Cambios de Evapotranspiración Bajo Cambio Climático al 2050s Escenario Húmedo

Legend

Escenario Seco

Bolivia_CC_Merge % Cambio ET -22 - -30 -29 - -20 -19 - -10 -9 - 0 1 - 10 11 - 20 21 - 30 31 - 40 41 - 50 51 - 60

Fuente: Presentación de Resultados Preliminares – Taller Banco Mundial Mayo 2010

Cambios de Rendimiento Hídrico Bajo Cambio Climático al 2050s Escenario Húmedo

Legend

Escenario Seco

Bolivia_CC_Merge % Cambio Caudal Especifico -100 - -80 -79 - -60 -59 - -40 -39 - -20 -19 - 0 1 - 20 21 - 40 41 - 60 61 - 80 81 - 100

Fuente: Presentación de Resultados Preliminares – Taller Banco Mundial Mayo 2010

Índice de Humedad Climática para las 11 cuencas

40 Fuente: Presentación de Resultados Preliminares – Taller Banco Mundial Mayo 2010

EJEMPLO: ESCENARIOS CLIMATICOS CUENCA DEL PILCOMAYO

PRECIPITACION

EVAPOTRANSPIRACION

TEMPERATURA

RENDIMIENTO HIDROLOGICO 41

Fuente: Presentación de Resultados Preliminares – Taller Banco Mundial Mayo 2010

EJEMPLO: ESCENARIOS CLIMÁTICOS Legend CUENCA DEL PILCOMAYO Escenario Seco

Pilcomayo % Cambio

Escenario Húmedo

< -10 -9 - -5 -4 - 0

Precipitación

1-5 6 - 10

Escenario Seco

Legend Pilcomayo

% cambio -22 - -12 -11 - -7

Evapotranspiración

-6 - 0 1 - 10 11 - 30

Fuente: Presentación de Resultados Preliminares – Taller Banco Mundial Mayo 2010

Escenario Húmedo

EJEMPLO: ESCENARIOS CLIMÁTICOS CUENCA DEL PILCOMAYO Escenario Seco

Legend Pilcomayo

Escenario Húmedo

% Cambio -55 - -44 -43 - -26

Rendimiento Hidrológico

-25 - -14 -13 - 0 0 - 15

Escenario Seco

Legend Pilcomayo % Cambio -99 - -50

Escenario Húmedo

-49 - 0 1 - 50

Sedimentos

51 - 100 > 100

Fuente: Presentación de Resultados Preliminares – Taller Banco Mundial Mayo 2010

43

Limitaciones y conclusiones de la evaluación

Mayores limitaciones • Información hidro-meteorológica pobre: – – – – – – –

Escasas estaciones Existencia de zonas “ciegas” Serie temporal muy reducida Largos huecos en las series de datos Existencia de numerosos “outliers” Datos de caudal muy escasos: Dificultad para calibrar Falta de inputs de caudal externos en cuencas transfronterizas

• Carencias en la información de suelos – Escalas demasiado grandes – Estaticidad en los usos del suelo. Necesidad de proyectar cambios a 2050

• Generación de escenarios de cambio climático – Resolución insuficiente (100 – 250 km)

Conclusiones • Modelación SWAT – Resulta compleja, pero útil y con múltiples posibilidades – Modelado de línea base: • Valores absolutos poco precisos • Necesidad de mejorar insumos (especialmente los meteorológicos) – Zonas con mejor fiabilidad: Desaguadero, Pilcomayo – Zonas con peor fiabilidad: Madera, Madre de Dios

• Mapa de disponibilidad de agua per cápita: zonas críticas en Titicaca, Alto Grande, Alto Pilcomayo y Desaguadero

Conclusiones (Cont.)

• La ATNR ha permitido la construcción de una estructura y metodología desde el punto de vista científico y técnico, y de acuerdo a discusiones que se han tenido con el ViceMinisterio de Recursos Hídricos y Riego, la misma sirva para apoyar la formulación de la estrategia de adaptación al cambio climático del sector así como en la toma de decisiones para manejar la gestión de los recursos hídricos a nivel de la cuenca

PARTE III Propuestas para el Plan Nacional de Cuencas en el campo de modelaje

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Propuestas • Formar grupos inter-institucionales con expertos locales apoyados por expertos internacionales • Contribuir a la formación de una masa crítica de científicos interesados en el tema a traves de tesis doctorales • Mejorar la falta de información e interrelación entre instituciones que cuentan con la misma • Continuar apoyando el modelamiento para facilitar el intercambio de información y resultados, y socializar las herramientas y modelos • Generar continuidad de las modelaciones ya existentes

Propuestas • El establecimiento de montos concursables que los puedan acceder grupos de investigación para continuar trabajando en la temática de cambio climático; • El establecimiento de instrumentos para facilitar el flujo de información, la difusión de los conocimientos, la presentación de resultados de investigación y el escalamiento de nuevas capacidades con miras a mejorar la coordinación institucional; • El fortalecimiento de las redes de meteorología e hidrología, tratar de compatibilizar las bases de datos de usos y tipos de suelo y rescatar la información meteorológica e hidrológica que se tiene en papel e Interactuar con Sistemas de Riesgos y Alerta Temprana • Fortalecimiento de fuentes de información como el Centro Digital de Recursos Naturales de Bolivia

Propuestas • Disponibilidad de escenarios climáticos de “mejor” y más alta resolución para Bolivia, proporcionando los medios para evaluar las incertidumbres asociadas. • Generar estrategias para mejorar la coordinación orientada a mejorar la sinergia entre los bolivianos directamente interesados. • Emplear la Modelación como herramienta de Toma de decisiones en el sector de recursos hídricos bajo una creciente incertidumbre: nuevas maneras de pensamiento y planificación. • Establecer alianzas estratégicas para la implementación de los modelos

Propuestas • El fortalecimiento del rol del gobierno como ente facilitador para generar y difundir conocimiento, para que así el conocimiento pueda servir para el desarrollo, e incentivar a las universidades para que participen en la planificación y toma de decisiones y aporten con el conocimiento y razonamiento bien fundamentado

Agradecimiento: Carlos Ortuño (Viceministro de Recursos Hídricos y Riego), Has Villet y Hans Salm; por la organización e invitación a participar de este Taller Rita Cestti (Banco Mundial); por las sugerencias, información y presentaciones enviadas que sirvieron de base realizar la presente.

A ustedes por su atención!!! Fernando Arturo Ledezma Perizza [email protected] 53