Métodos Pasados, Presentes y Futuros del Análisis Hidrológico Técnico


Una conferencia dada por Dr. Norman Crawford en el Curso Taller Internacional "Análisis Hidrológico Aplicado al Manejo y Optimización de las Estructuras para los Recursos de Agua", el curso fue parte del V Congreso Nacional de Ingeniera Agricola, en Lima , Perú, el pasado noviembre.
Translado por Romy Vargas Bezzubikoff.


Necesidades de Información en Recursos de Agua --
Qué Provee la Ingeniera Hidrológica?
Diseño, Planeamiento y Requerimientos Operacionales de Data
Actividades Básicas : Recolección de Datos
Cálculos Hidrológicos y Estimados:

·        Métodos Históricos y Actuales

·        Metodología Futura


Necesidades de Información

El rol de la ingeniería hidrológica es bien definido así como limitado, en comparación con el amplio campo del análisis de los recursos de agua, diseño de facilidades (estructuras), etc. Linsley et al en Hidrología para Ingenieros establece : "La Ingeniería hidrológica está primeramente relacionada con tres características del flujo: los volúmenes disponibles mensuales y anuales para almacenamiento y uso, tasas bajas de flujo que restringen los usos de la corriente de agua, y las inundaciones."

La ingeniería hidrológica trata del análisis de diseño -- qué flujo del río se espera en el proyecto de un nuevo puente, represa, o diques para el control de inundaciones, o proyectos de canales. Cuál es la confiabilidad de una fuente propuesta de agua para irrigación, demandas de M&I. Qué producción de hidroenergía puede generar una represa propuesta? Qué movimientos de sedimentos, tasas de erosión o calidad de agua estarán presentes en un río.

Una segunda actividad principal en la ingeniería hidrológica es el análisis operacional -- cómo las facilidades podrían ser operadas una vez que están construidas. Cómo podrían ser operadas las facilidades hace varias décadas dadas las cambiantes demandas de abastecimiento de agua, protección contra las inundaciones, etc.

Una tercera actividad es el planeamiento. Cómo están cambiando los ríos y corrientes en la medida que cambia el uso de las tierras, en que las cuencas son urbanizadas o las actividades forestales y agrícolas desarrollan. (En California, la minería hidráulica de oro fue prohibida en 1895 -- y los sedimentos provenientes de esta actividad aún están ingresando a la Bahía de San Francisco).

Diseño, Planeamiento y Requerimientos Operacionales de Data

Los requerimientos típicos de diseño son para un resumen estadístico o predicción de las características hidrológicas de un punto de una cuenca . Por tanto hay la necesidad de :

    • Datos de Frecuencia de Avenidas
    • Curvas de Duración de Flujo (tal vez estacional)
    • Frecuencia de Sequías o Bajo Caudal
    • Curvas de Capacidad de Sedimentación
    • Registros de Flujos de Largo Plazo (estimados o registrados)

El elemento unificador en lo anterior -- información de una semana o un año es de escaso valor. Si se construye un nuevo puente, se espera que sobreviva a las inundaciones o crecidas que tendrán lugar durante su vida de diseño, no solo a una inundación que pueda tener lugar ese año.

El planeamiento de los requerimientos de data es de alguna manera similar, pero el éxito es la descripción del régimen hidrológico y las disturbancias o tendencias en dicho régimen. Usará el desarrollo agrícola/aguas subterráneas flujos variados? Uso de acuíferos? Intrusión de agua marina?

Los requerimientos operacionales son bastante diferentes del diseño o planeamiento. La información es necesaria acerca del término cercano -- qué cantidad de flujo entrará a un reservorio en la siguiente semana, mes o estación de verano? Qué flujo pico se espera en un dique o estructura de derivación para aliviaderos de crecida al día siguiente? Aquí la necesidad de información es para el futuro inmediato y tiende a ser específica -- o condicionada de acuerdo al estado de la cuenca .

Actividades Básicas : Colección de Data

Los registradores de Leopold-Stevens ("pen on drum recorders"), miden el estado o condición en una poza de disipación. Medidas de la velocidad de flujo con metros. Las curvas de calibración de la descarga. Cintas agujereadas de papel continuo . (Las cintas son enviadas a Washington , DC para su lectura!!!)

Pluviómetros. Medidores de cubo en boquilla. Cuencas de evaporación. Medidas de temperaturas -- Max/Min.

Los cambios en los sensores son menos dramáticos que los cambios en los métodos de registro y los de procesamiento/almacenamiento de data. Seis meses de temperatura horaria en un paquete de cigarrillos. Muchos calibradores conectados a DCPs -- satélite. Ayudas en reparación de equipos. Sistemas en Camerún. Sistemas de ríos en serpentín.

Cálculos y Estimaciones Hidrológicas

Métodos Históricos y Actuales

Leí en el National Geographic acerca de moradores de la costa peruana que desarrollaron sistemas de irrigación, bien diseñados representan la hidráulica actual. Las estructuras, quizás extendiéndose a la prehistoria, pueden haber sido planeadas con observaciones de los flujos de los ríos.

Biswas [1] describe la presa del Sadd El-Kafara Dam - 110 m. de longitud y 12 m. de alto, construida en 2750-1950 AC cerca a El Cairo, Egipto. Fue construida de piedra bruta, sin un aliviadero y parece ser que falló cuando se llenó la primera vez (no hay sedimentos en el área del reservorio). Biswas le da el crédito de los comienzos de la hidrología cuantitativa a Pierre Perrault -- Origen de las Fuentes o Manantiales (publicado en París en 1674) -- muestra que las aguas de lluvia y nieve son suficientes para hacer que las fuentes y ríos discurran perpetuamente.

Fórmula Racional Q= CIA -- Thomas James Mulvaney -- documento titulado "Sobre el uso de los Auto-registros de lluvia y aforos de avenidas al observar las relaciones de precipitación con las descargas de avenidas en una cuenca dada" Institución de Ingenieros Civiles de Irlanda, Febrero de 1851.

Al final, un notable concepto en esta historia seleccionada de hidrología histórica, fue el hidrograma unitario. [2] (La idea que una cantidad dada de escorrentía de una cuenca en un tiempo dado produciría, el mismo hidrograma de avenidas incluso si sucedieron en diferentes tormentas. Además, si la cantidad de escorrentía se duplica, las ordenadas del hidrograma deberían duplicarse -- una asunción lineal).

Actualmente hay una mezcla de tecnologías -- algunos muy nuevos e inteligentes métodos están siendo usados, y están probando ser efectivos -- y muchos métodos antiguos todavía están en uso (algunos métodos diseñados para las antiguas calculadoras mecánicas o reglas de cálculo se han transferido directamente a las computadoras).

Describiré algunos proyectos, como el Sistema de Información de Suministro de Agua de la Ciudad de Seattle, y el Sistema de Optimización y Predicción Climatológica para la hidroeléctrica del Río Housatonic.

No obstante, hay un condado en el norte de San Francisco en California que dice que su método oficial para el diseño de drenaje y planeamiento de control de avenidas es el método racional -- de 1851 -- usado en cuencas de cualquier tamaño --para el diseño de reservorios de control de avenidas -- todo.

Usaré un tiempo considerable esta semana en mis charlas para discutir cómo los métodos actuales podrían evolucionar en, o ser reemplazados por métodos futuros. Los desafíos en el análisis hidrológico son :

6.    Hacer lo mejor con los datos disponibles limitados. La mayoría de las corrientes pequeñas y ríos siempre estarán sin aforos.

7.    Hacer efectivo el uso de las habilidades ilimitadas de cálculo de programas de computadora .

Métodos Futuros

Regresaré a la afirmación de las necesidades de información de Ray Linsley :

"La Ingeniería Hidrológica está primeramente involucrada con tres características de flujo: los volúmenes mensuales y anuales disponibles para almacenamiento y uso, tasa de bajo flujo que restringen los usos de agua, y las inundaciones".

La Ingeniería Hidrológica hasta la fecha ha sido una industria rural, donde los individuos (o firmas) trabajan independientemente, y cada estudio hidrológico es hecho a su manera. No veo razón porque los hidrólogos deban hacer estimados como el mencionado, en forma dividida. No hay razones técnicas para que lo siguiente no pueda ser hecho, para reunir la información necesaria mencionada anteriormente;

8.    Mostrar un mapa computarizado del Perú, mostrando ríos, corrientes y lagos , y magnificando la región de interés

9.    Seleccionar un lugar en una corriente o río

10.                    Mostrar o imprimir el flujo continuo, frecuencia de inundaciones, curvas de duración de flujo, etc.

Esta información puede estar disponible en cualquier punto, calibrada o sin calibrar. Para un esbozo de como se puede hacer ésto, ver "Estimaciones Hidrológicas para Ríos y Corrientes Sin Información" (Documento de Conferencia).

Puede parecer que si hubiera buena calidad de información hidrológica disponible en todo el Perú, o en los Estados Unidos, España o donde fuera, entonces los hidrólogos en ese país estarían todos desempleados. Esto no sucedería. Ellos serían empleados tendiendo a mejorar el sistema.

Igualmente importante, ellos pasarían tiempo pensando acerca de los procesos hidrológicos y las necesidades de información de maneras no tradicionales -- y expandiendo la lista de información de Ray Linsley, que la sociedad espera de los hidrólogos. No podemos hacer algo más con las computadoras que aquello que pudieron hacer los hidrólogos hace cincuenta años sin el uso de ellas?

Por ejemplo, para inundaciones, tradicionalmente hemos estimado la frecuencia de inundaciones o lugar de las inundaciones. En casi todo los Estados Unidos el plano de 100 años de inundaciones está ahora mapeado. Si usted compra una casa que está en el mapa de inundaciones de 100 años, tiene la opción de comprar un seguro de inundación.

Además para inundaciones. el Servicio de Predicción de Corrientes (Parte del NOAA) edita advertencias de inundación donde se necesitan, así alguien que vive en un plano de inundación debe recibir una advertencia específica que el grado de inundación en las próximas horas o días excederá xxx metros -- estas predicciones están basadas en la observación de la precipitación pluvial y QPFs y son de corto período.

Es esto (frecuencia de inundaciones a largo período y predicciones de inundaciones a corto plazo) todo lo que puede decirse acerca de las inundaciones? Qué hay acerca del corto plazo o la frecuencia de inundación condicional?

La frecuencia tradicional de inundaciones es por definición a "largo período": Es "el flujo de avenida que se esperaría que ocurra en promedio, en uno o en cien años". Tendrá un cambio de ocurrencia de 1% en cualquier año.

Cuál es el flujo pico que tendría un cambio de ocurrencia de 1% en un flujo en el siguiente mes? Claramente no es lo mismo que el 1% de inundación a largo período. O lo es?

Si usted supo que el corto de la inundación fue 1%, usted podría querer incrementar la elevación de un dique provisorio, usar tierra entre el plano de inundación de manera diferente, u operar en forma diferente una cuenca de detención de inundación.

Qué flujo es más relevante: La avenida a largo período de 1%, o la inundación de 1% que usted podría ver en el siguiente mes?

Un tópico relacionado, todavía sobre el tema de qué nuevas clases de información podrían proveer los hidrólogos, es el corto término o información condicional sobre futuras escorrentías hacia los reservorios.

Cuando digo que la frecuencia de avenidas condicionales o influjo de los reservorios son nuevos, esto no significa que nadie haya considerado antes estas ideas -- estas ideas vienen directamente de un conocimiento de la dinámica de las cuencas -- pero ellos no son parte de "la práctica standard de ingeniería". Recientemente he revisado documentos escritos en los años 30 por hidrólogos que estaban bien conscientes de la dinámica de las cuencas. Aún más, la dinámica de las cuencas es frecuentemente olvidada en los métodos hidrológicos.

La dinámica de las cuencas es la variabilidad de tiempo de los procesos hidrológicos. Virtualmente todos los métodos hidrológicos que datan de antes de 1960 fueron desarrollados para minimizar los cálculos aritméticos.Dejar de lado o asumir la ausencia de dinámica de cuencas fue necesario -- antes de 1960 se daba poco valor a considerar la dinámica de cuencas (especialmente para el diseño) ya que la carga computacional de tratar con ésto era demasiado grande.

Cuando mucho de los métodos usados en análisis hidrológicos dejaron de lado la dinámica de las cuencas, se volvió más fácil creer que la dinámica de las cuencas no era importante.

Cuando las limitaciones en la computación son (casi) inexistentes, la dinámica de las cuencas puede ser incluida. El desarrollo de modelos de simulación continua para los procesos hidrológicos, como el "Modelo de Stanford", fue un primer paso en esta dirección.

El siguiente cuadro de necesidades de información compara la información hidrológica actual y la futura :

 
Informacion                     Actual                 Futura
 
Volumenes                       Aforadores de Flujo    Aforadores de flujo
mensuales y                     Analisis de            
anuales                         correlacion            --------
(Estatico)                      Simulacion             Simulacion 
                                 Hidrologica            hidrologica
                                                       incluyendo el efecto del
                                                       cambio del uso de tierra
 
Volumenes                       Red en tiempo real     Red en tiempo real 
mensuales y anuales                                    Simulacion 
(Dinamico)                                             hidrologica   
                                                       condicional 
                                                       (Futuras alternativas)
 
Tasas de Bajo Flujo             Analisis               Predicciones 
(Estatico)                      de duracion            deterministicas  
                        
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    
Tasas de Bajo Flujo             --------               Simulacion 
(Dinamico)                                             condicional 
                                                        hidrologica
                                                       (Alternativas futuras)
 
Inundaciones                    Frecuencia de          Frecuencia de inundaciones 
                                 inundaciones           de corto periodo
                                 de largo periodo
  

Métodos Futuros (Logística)

El análisis hidrológico es una especialidad. El procesamiento de textos es hecho en 100 M de computadoras, y el análisis hidrológico (quizá) hecho por 2500 computadoras(?) -- así que representamos 25 de 100,000 usuarios que vamos al archivo de un software de computación y pedimos una aplicación hidrológica.

Por lo tanto, aunque es posible hacer montones de cosas interesantes y útiles en las computadoras en hidrología --cómo pueden ser estas cosas hechas, sin que cada hidrólogo esté escribiendo su propio código?

La impresión de manuales y distribución de diskettes es una posibilidad -- 10,000 copias del Modelo Stanford fueron distribuidas de esta manera. Aún ésto no trabaja muy bien --es muy difícil para el usuario potencial de software en el Perú, o donde sea, averiguar qué hay disponible y si o no un programa satisfará sus necesidades.

El WWW puede ser una solución. Usted puede "mirar" o buscar software por tópicos y bajar un software para prueba. Usted puede también, con productos como Java, ejecutar software "en la net". Estas herramientas pienso que se volverán muy útiles en los 25/100,000 segmentos del mercado de software. Nunca tendremos software a la vuelta de la esquina. Hablaré acerca del WWW el Viernes.

Visiones Futuras

La así llamada era de la información tiene cerca de 30 años. En 30 años más (quizá en mi tiempo de vida -- si vivo hasta una edad avanzada), qué será posible en recursos de agua?

Usted será capaz de conseguir con una computadora manual (o quizá de reloj), completa información estática de cualquier punto de cualquier río, corriente o lago ( como se describió antes).

Usted también podrá tener la posibilidad de conseguir el clima actual y futuro, flujos de avenida, niveles de los lagos, inundaciones a corto período y frecuencias de sequía, probabilidades de alcanzar futuras demandas de agua (corto período), probabilidades de futuros niveles de lagos --producción de energía en hidroplantas... etc. En treinta años nuestros métodos actuales y redes de datos parecerán muy anticuados...


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Hydrocomp, Inc.


[1] Biswas, Asit K., History of Hydrology, North-Holland Publishing Co., Amsterdam-London, 1970.

[2] Sherman, L. K., Streamflow from Rainfall by the Unit-Graph Method, Eng. News-Rec., vol. 108, pp. 501-505, 1932.