Modelos hidrológicos para la estimación de caudal ecológico

Hydrological models for the estimation of ecological flow

Jairo Isaí Alvarez Villanueva^{1, *}; José Francisco Huamán Vidaurre²

1Universidad Nacional de Trujillo, Escuela de Posgrado, Av. Juan Pablo II Nº 1050.

2 Universidad Nacional de Cajamarca, Facultad de Ingeniería, Av. Atahualpa Nº 1050.

*Autor corresponsal: jialvarezvi@unitru.edu.pe (J. I. Alvarez Villanueva).

ID ORCID de los autores

Jairo Isaí Alvarez Villanueva: https://orcid.org/0000-0001-8777-3943

José Francisco Huamán Vidaurre: https://orcid.org/0000-0002-4896-0479

RESUMEN

Fijar el caudal ecológico en los ríos del mundo contribuye a la preservación de ecosistemas fluviales y a la gestión del recurso hídrico, relacionado con lo social y económico; es el volumen de agua necesario para mantener un ecosistema fluvial sano capaz de brindar bienes y servicios. El método hidrológico fue el primer método planteado para estimar el caudal ecológico, desarrollado en las épocas de los años 60 y 70 del siglo 20. Existen diferentes métodos para estimar el caudal ecológico, tales como: hidrológicos, hidráulicos, eco-hidráulicos y métodos holísticos. En el presente trabajo se realizó una revisión de siete métodos hidrológicos, estos son: asturiano, curva de permanencia de los caudales, ecuatoriano o 5% del promedio anual, referencial-normatividad peruana, escocés o 3 meses críticos, suizo y Tennant-Montana (1976). Estos métodos hidrológicos utilizan registros históricos de caudales de estaciones hidrométricas para obtener de forma rápida y económica un resultado de fácil interpretación. Tennant-Montana (1976) es el método más usado en cuencas hidrográficas de 25 países para determinar el caudal ecológico, y es el segundo método más aplicado en EE UU y Canadá. Estos métodos son aplicables para una investigación en cualquier río del territorio peruano.

Palabras clave: caudal ecológico, métodos hidrológicos.

ABSTRACT

Fixing the ecological flow in the world's rivers contributes to the preservation of river ecosystems and the management of water resources, related to the social and economic aspects; It is the volume of water necessary to maintain a healthy river ecosystem capable of providing goods and services. The hydrological method was the first proposed method to estimate the ecological flow, developed in the 60s and 70s of the 20th century. There are different methods to estimate the ecological flow, such as: hydrological, hydraulic, eco-hydraulic and holistic methods. In the present work, a review of seven hydrological methods was carried out, these are: Asturian, flow permanence curve, Ecuadorian or 5% of the annual average, referential-Peruvian regulations, Scottish or 3 critical months, Swiss and Tennant-Montana (1976). These hydrological methods use historical records of flows from hydrometric stations to quickly and cheaply obtain an easily interpreted result. Tennant-Montana (1976) is the most widely used method in river basins in 25 countries to determine ecological flow, and it is the second most widely used method in the US and Canada. These methods are applicable for an investigation in any river of the Peruvian territory.

Keywords: ecological flow, hydrological methods

Recibido: 26-01-2022.

Aceptado: 09-05-2022.

Caudal ecológico

La metodología de Tennant o de Montana (1976) define al caudal ecológico como el porcentaje de volumen de agua, el cual permite el desarrollo de organismos acuáticos y el buen estado de su hábitat (De la Lanza Espino et al., 2014). Este caudal tiene denominaciones, tales como: “caudal de reserva ecológico” o “caudal mínimo medioambiental”, o simplemente “caudal ecológico” (Infante et al., 2018). En Estados Unidos de Norteamérica en los años 60 nace el concepto de caudal ecológico, con la finalidad de conservar ecosistemas acuáticos de salmones. Posteriormente, esta idea fue enfocada hacia otros organismos (Meza et al., 2017). El termino caudal ecológico es llamado como “caudal ambiental”, esta definición es más amplio ya que abarca factores sociales y económicos (Marraco et al., 2010). El caudal ecológico es el mínimo necesario para mantener un volumen de agua dentro del cauce.(Infante et al., 2018). Este caudal es un instrumento de gestión que permite determinar la cantidad agua requerido para mantener ecosistemas acuáticos que proporcionan bienes y servicios a la sociedad (Brown Manrique et al., 2016). Un caudal circulante en un cauce natural, podría ser considerado como caudal ecológico, siempre y cuando este volumen de agua sea capaz de mantener una comunidad biológica, compuesta por microorganismos, plantas y animales, cuya estructura y funcionamiento dependen de las características del río (Jalón y del Tánago, 1998). Realizar evaluaciones al caudal ecológico permitirá entender las respuestas ecológicas del río frente a condiciones climáticos y antropogénicas (Gao et al., 2009). Este caudal se define como el régimen fluvial en un cuerpo de agua que permite mantener ecosistemas acuáticos en condiciones naturales (Santacruz de León & Aguilar-Robledo, 2009). Caudal ecológico, según el Articulo 153°del reglamento de la Ley de Recursos Hidricos N° 29338, aprobado por Decreto Supremo N° 001-2010-AG, es el volumen de agua necesario para mantener fuentes naturales (cauces de ríos), permite la conservación, preservación y mantenimiento de ecosistemas acuáticos. Estos caudales pueden sufrir variaciones a lo largo del año en relación a su caudal. Estos caudales según señala no podrán ser aprovechados bajo ninguna modalidad de uso consuntivo (agricultura, vivienda y minería) (Ley de los Recursos Hídricos [LRH], 2009). En casos de escasez hídrica estos caudales ecológicos serán priorizados para uso poblacional (LRH, 2009). Los caudales ecológicos serán mantenidos en épocas de estiaje, es decir, en meses de ausencia de precipitaciones y por ende de disponibilidad de agua (J. E. Alata, 2020). El caudal ecológico es útil en época de sequía extrema (Yupa et al., 2020a). La finalidad de evaluar el caudal ecológico, es lograr mantener saludable e integra el ecosistema fluvial, por ello se establece que el caudal ecológico es un instrumento de la gestión del agua, es decir, permite proteger un ecosistema fluvial mediante un determinado volumen de agua de río. Existen diferentes métodos para estimar dicho caudal, estos son: hidrológicos, hidráulicos, hidrobiológicos y de carácter holístico (Eugenio & Ordóñez, 2012). Existen 200 métodos para evaluar el caudal ecológico, frente a estos diversos métodos, fue Tharme (1999) quien propuso categorizar las diferentes metodologías en cuatro grupos: métodos hidrológicos, hidráulicos, hidrobiológicos y holísticos (Marraco et al., 2010). Cada una de las metodologías presentan una determinada complejidad para lograr determinar el caudal ecológico, pero la escasa información limita a la aplicación de todos los métodos (Eugenio & Ordóñez., 2012) Los métodos hidrológicos basan su metodología en la data histórica de aforos, el método hidráulico basa su metodología en la morfología del cauce, los métodos hidrobiológicos basan su metodología realizando simulaciones de hábitat con diferentes regímenes de caudal y utilizan una especie de estudio, mientras que el método holístico integra los procesos biológicos, físicos y químicos para un sistema fluvial (Meza et al., 2017). Los métodos mencionados pueden determinar el estado de los ríos, bajos sus propios parámetros de los modelos. Sin embargo, señalan que los métodos hidráulicos, hidrobiológicos y holísticos necesitan de una gran cantidad de datos de entrada y no pueden ser utilizados en la mayoría de zonas (Yang et al., 2012, Yupa et al., 2020). En las últimas décadas se han proporcionado un gran número de derechos para el uso de las aguas de fuentes naturales, y para ello no se ha tomado en cuenta al caudal ecológico, dejando un vacío de desconocimiento de caudal ecológico necesarios para los ecosistemas de las fuentes naturales (Unión Internacional para la Conservación de la Naturaleza y de los Recursos Naturales [UICN], 2012). En el Perú con el establecimiento del Código de Aguas de 1902 el cual rigió hasta la Ley General de Aguas (Decreto Legislativo 17752) del año 1969, no se contempló el concepto de caudales ecológicos, dejando un gran vacío por varias décadas de nula información de cuantificación y procedimiento para cuantificar el caudal ecológico (UICN, 2012). Frente a esto el nuevo reglamento peruano Ley de Recursos Hídricos 29338, aún trata superficialmente respecto a la importancia del caudal ecológico, se establece su obligatoriedad pero no la cantidad agua que se debe dejar en los ríos para la subsistencia del hábitat (J. E. Alata, 2020). El concepto de caudal ecológico fue incorporado por primera vez en la nueva Ley de los Recursos Hídricos 2009 (ANA, 2015). A nivel nacional hay indicios de no respetar al caudal ecológico (UICN, 2012). Existe la necesidad de fijar caudales ecológicos en los cuerpos de agua a nivel nacional, ya que en la mayoría de nuestros ríos del Perú no están establecidos (Ley de Recursos Hidricos [LRH], 2009).

Efectos naturales y antrópicos sobre el caudal ecológico.

El régimen de caudales de ríos ha permitido mantener la integridad de ecosistemas fluviales en todo el mundo, es decir, los caudales de ríos permiten el mantenimiento y supervivencia de seres vivos (Palmer & Ruhi, 2019b). El caudal ecológico es de vital importancia ya que determina la necesidad hídrica para la conservación de ecosistemas fluviales frente al cambio climático (Infante et al., 2018). El régimen hidrológico de las fuentes naturales depende de dos factores, estos son: factores climáticos y antropogénicos (Chang et al., 2016a). Los ríos durante siglos han venido contribuyendo al desarrollo socioeconómico del humano. Se está evaluando la variabilidad del cambio climático futuro, analizando la profundidad de lluvias y las descargas de ríos naturales (Sharafati & Pezeshki, 2019). El caudal de los ríos está afectado por el cambio climático principalmente, mediante las variaciones de las precipitaciones. Algunas investigaciones señalan, que para determinar la influencia del cambio climático en el régimen hidrológico de los ríos, será a través de las precipitaciones anuales y no a través de características estacionales (Tang et al., 2021b). Los recursos hidricos a medida que pasa el tiempo están cambiando tanto en variabilidad climática como por las actividades humanas cerca a fuentes naturales (Chang et al., 2016a). Los cambios en las precipitaciones son debido al cambio climático. La cual está relacionado a inundaciones, olas de calor, sequías etc., afectando a los recursos hídricos, medio ambiente y energía (Homsi et al., 2020). Actualmente el caudal ecológico o flujo ecológico, están siendo influenciados por las variaciones del régimen hidrológico, lo que conlleva a realizar un mejor manejo de la cuenca y de los recursos hídricos para la protección de ecosistemas fluviales sensible al cambio climático (Mezger et al., 2021). El cálculo del caudal ecológico en las cuencas es importante para mantener los servicios ecosistémicos de regulación, soporte, culturales y provisión (De la Lanza Espino et al., 2014). Los cambios en el régimen hidrológicos relacionados con la precipitación, son los que han tenido más impacto en los ecosistemas fluviales (Tang et al., 2021a). Asimismo, las actividades antrópicas y los aprovechamientos hidráulicos, los cuales están relacionados con la construcción y operación de presas, embalses y centrales hidroeléctricas, están alterando el régimen hidrológico natural de los ríos, impactando a los ecosistemas fluviales, por ello, la necesidad de asegurar la permanencia de un caudal ecológico mínimo para preservar las reservas ecológicas de una cuenca hidrográfica (Infante et al., 2018). Son importantes los ecosistemas fluviales por su biodiversidad, su influencia en los ciclos biogeoquímicos globales y por contribuir en gran parte a preservar los servicios ecosistémicos (Palmer & Ruhi, 2019a).

Indicadores para evaluar el caudal ecológico

La identificación de indicadores será clave para evaluar el caudal ecológico, estos son: a) La construcción de presas, la cual ha cortado la relación precipitación y caudal ecológico cuyo impacto es el déficit de caudal en épocas secas y excedente en operaciones de la presa en épocas de inundaciones. b) Alteración en el régimen de caudales naturales debido a las variaciones hidrológicas, llevando a tener déficit en épocas secas y excedencias en épocas de lluvias. (Tang et al., 2021a). Por ello, identificar las características físicas de las corrientes, los patrones históricos del régimen de caudal registrados en estaciones hidrométricas, permitirá reproducir la variabilidad estacional de cada año(Rodríguez Torres & Gómez Balandra, 2013)

Método hidrológico

Este tipo de metodologías son las más apropiadas para realizar planificación de desarrollo de los recursos hídricos. También son utilizados para realizar estimaciones preliminares de caudal ecológico (Tharme, 2003). No existe un método ideal para estimar el caudal ecológico. Pero existe una variedad de métodos para determinar el caudal ecológico, cada uno de ellos tienen sus objetivos y criterios de evaluación (Marraco et al., 2010). El método hidrológico es el más empleado para calcular el caudal ecológico debido a ser práctico, económico y sencillo. Y es el primer método para estimar caudales ecológicos y el más utilizado mundialmente (García et al., 1999). Los métodos hidrológicos basan su cálculo en información registrada de un régimen hidrológico fluvial (registros de datos hidrométricos de caudales naturales) y sus resultados representan a un flujo que garantiza un nivel de protección de los ecosistemas fluviales (De. Yang et al., 2012). la norma mexicana indica que para poder estimar el caudal ecológico se debe de contar con una base de datos mayores a 20 años De la Lanza Espino et al. (2014). El reglamento peruano también recomienda la misma cantidad de información para poder estimación dicho caudal (Ley de Recursos Hidricos [LRH] 2009). Al no contar con a base de datos mayor a 20 años para calcular el caudal ecológico, es posible tomar diez años como mínimo como base de datos, los resultados serían, parecidos a los de 20 años. Una forma de demostrar esto, es dividiendo las series de tiempo de manera consecutiva en intervalos o lapsos de 10, 20 y mayores a 20 De la Lanza Espino et al. (2014). El método hidrológico es el estimador del caudal ecológico en las naciones de Chile (10% del caudal medio anual) y Brasil (curva de permanencia) (Meza et al., 2017). Los métodos: ecuatoriano, escocés, suizo y asturiano son aplicables solamente para ríos costeros, los cuales presentan limitaciones en épocas de estiaje (Alata, 2020). En la normativa peruana, la metodología (Resolución Jefatural N° 154-2016-ANA, aprobación de metodología para determinar el caudal ecológico) para determinar el caudal ecológico será establecida por la Autoridad Nacional del Agua en coordinación con el Ministerio de la Agricultura, con la participación de las autoridades sectoriales competentes, en función de las particularidades de cada cuerpo de agua. Es la Dirección de Conservación y Planeamiento de Recurso Hídrico proponer normas en materia para establecer el caudal ecológico (LRH, 2009). En la aprobación de la “metodología para determinar el caudal ecologico”² se establece que para estimar el caudal ecológico se usará información de los últimos 20 años. Y a falta de información, se generará mediante modelamiento hidrológico o estocástico.

Método Asturiano:

Este método es aprobado por la legislación suiza, para dar protección al ecosistema fluvial. Según este método el caudal ecológico será el mayor de los valores obtenidos por las siguientes fórmulas, las cuales se expresan en L/s. Si no se cuenta con información de caudales medios diarios el caudal Q347 se calcula utilizando la Fórmula 7 (Alata, 2020, Consuegra, 2013).

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Método de la Curva de Permanencia de los caudales

Conocido como la curva de duración de caudales. Permite visualizar el rango completo de caudales mínimos y máximos Smakhtin ( 2001, como se citó en Yupa et al., 2020a). El caudal ecológico se estima como el 5% de Q_90%, tal como se presenta en la fórmula (Brown et al, 2016).

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Donde: Q_90%: Caudal de permanencia al 90%.

Q_E: Caudal ecológico

Método ecuatoriano o 5% del promedio anual

Q_E=5%*Q _m (6)

Donde: Qm=Caudal medio anual.

Método referencial-Normatividad peruana

El caudal ecológico referencial se define como el caudal al 95% de persistencia Q (95); este se obtiene a partir de cada serie de datos medios mensuales, de una serie histórica de por lo menos 20 años Autoridad Nacional del Agua ([ANA], 2016). Siguiendo el procedimiento puesto por la ANA (2016), el valor de Q₍₉₅₎ no se calculará de manera exacta por lo que es necesario interpolar los valores (Yupa et al., 2020a).

Método Suizo

Este método se basa en la legislación suiza, la cual permite calcular caudales de estiaje para 347 días por año (Q347) para obtener el valor de Q347 se utiliza la ecuación 7 (Rey, 2020;Yupa et al., 2020a). El caudal Q347 permite encontrar al caudal mínimo y definir si son aguas piscícolas o no piscícolas, ver Tabla 2 (Consuegra, 2013).

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Donde: Q₃₄₇: Caudal superado a 347 días del año.

Qm: Caudal medio anual (interanual).

a₀: Coeficiente que toma los valores de 0,5; 1,0; 1,5 y 1,8.

Adicionalmente para calcular el caudal ecológico por el método suizo se usa la Tabla 2.

Método escocés

Este método es llamado tres meses críticos. Para calcular el caudal ecológico se toma el 20 % de tres meses consecutivos de caudales medios mensuales críticos (Alata, 2020). Estos caudales críticos están relacionados con los caudales mínimos (Yupa et al., 2020a). El método Rafael Heras (1976) señala que de tres meses consecutivos se puede determinar el caudal mínimo. El caudal ecológico se calcula mediante el 20% del caudal promedio (Yupa et al., 2020a) y (Brown et al, 2016).

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Donde : Caudal medio de años críticos, Q_E: Caudal ecológico

Método de Tennant

El método hidrológico más conocido para determinar el caudal ecológico, es el método de Tennat, desarrollado en Estados Unidos de Norteamérica. Este método es usado en cuencas hidrográficas en 25 países (Santacruz de León & Aguilar-Robledo, 2009). Este método es sencillo, práctico, y económico. Para lograr un cálculo de caudal ecológico de distribución mensual, solamente requiere información de estación hidrométricas o pluviométrica (García et al., 1999). Según Zalucki & Arthington (1998, como se citó e Yupa et al., 2020a) este método se usa en ríos donde no existe estructuras hidráulicas de regulación tales como presas o diques. Asimismo, este método está vinculado con: el promedio anual de caudal y con las condiciones ecológicas de distintas estaciones. Este método fue establecido teniendo en cuenta hábitats, condiciones hidráulicas y biológicas. Según (De la Lanza Espino et al. (2014) teniendo en cuenta el ancho, profundidad y velocidad de la corriente, se obtienen intervalos como: el 10% del caudal medio anual, el cual sería el mínimo para la sobrevivencia de organismos acuáticos; el 30% sería lo recomendable para la sobrevivencia de diferentes formas de vida acuática; el 60% sería lo recomendable para un hábitat de características excelentes, y el 100% del gasto medio anual sería lo más adecuado para que la mayoría de los organismos acuáticos se desarrollen. Este método es rápido y económico a pesar de ser solo una aproximación

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Donde: Q_{E (10%)}: caudal mínimo recomendable para mantener la sobrevivencia de la mayoría de las formas de vida acuática. Q_{E (30%)}: caudal recomendable para mantener un hábitat adecuado para las diversas formas de vida acuática. Q_{E (60%)}: caudal recomendable para lograr excelentes condiciones de hábitat para las formas de vida acuática, durante los periodos de crecimiento inicial. Qm= modulo interanual del periodo de estudio (Brown et al, 2016)

Tabla 3

Características de método hidrológicos para fijar el caudal ecológico

N°	método	Características
1	Método Asturiano:	El caudal mínimo cuantitativo es de 50 L/s. A partir de este caudal de define el caudal ecológico en función de Q_347, estos caudales deben de mantener una profundidad mínima de 20 cm para el movimiento migratorio de peces. La selección del caudal ecológico será el mayor de las Fórmulas 1,2 y 3 (Alata, 2020).
2	Método de la Curva de Permanencia de los caudales	Este método permite construir la curva de duración de caudales, logrando identificar rangos de caudales máximos y mínimos. Permite identificar el porcentaje de tiempo de observación de caudales igualados o excedidos al 90%. Permitiendo determinar el caudal ecológico al 5% del caudal igualado al 90% (Brown et al, 2016).
3	Método ecuatoriano o 5% del promedio anual	Este método permite calcular el caudal ecológico a partir del 5% del caudal medio anual (J. E. Alata, 2020)
4	Método referencial-Normatividad peruana.	La legislación peruana establece al caudal ecológico como el 95 % de persistencia de la fuente natural de interés (LRH, 2009)
5	Método Suizo	En el caso de no contar con información de caudales diarios, pero se cuente con caudal anual. Este método identifica el caudal mínimo continuo que circula durante los 347 días al año y para identificarlo utiliza el caudal medio anual (interanual), así como de coeficientes de valores 0,5; 1; 1,5 y 1,8. Este método está orientado a preservar la vida y la migración de peces como el salmo trutta y salmo salar (Rey, 2020;Yupa et al., 2020ª, Consuegra, 2013)
6	Método escocés	Para el cálculo de caudales ecológicos se utiliza tres meses críticos consecutivos, es decir, meses con menores valores de caudal. Se calcula el caudal medio mensual y se le multiplica con el 20% (Alata, 2020)
7	Método de Tennant	Este método es aplicable para corrientes que no tienen estructuras de regulación (presas, diques etc.). Es el método hidrológico más conocido para determinar el caudal ecológico. Este método utiliza información de caudal medio multianual. Para ello, es necesario contar con caudales medios mensuales multianuales. Este método está basado en calcular el caudal ecológico en diferentes proporciones (10%, 30% y 60%) de flujo de agua respecto del caudal medio anual. (Brown et al, 2016, Alata, 2020, Ilbay-Yupa et al., 2021)

CONCLUSIONES

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Proyecto	Métodos
Declaración de impacto ambiental	Método hidrológico o hidráulico
Estudio de impacto ambiental detallado o semi detallado.	Método de simulación de habitad u holístico

Tipo Cauce	Q₃₄₇ [L/s]	Caudal Ecológico [L/s]
Aguas no piscícolas	[0 - 1000]	0.35*Q₃₄₇
Aguas piscícolas	[0 - 60]	50
	[60 - 160]	50+0,8*(Q₃₄₇- 50)
	[160]	130
	[160 - 500]	130+0,44*(Q₃₄₇-160)
	500	280
	[500 - 2500]	280 + 0,31*(Q₃₄₇ - 500)
	2500	900
	[2500 - 10000]	900+0,2131*(Q₃₄₇ - 2500)
	10000	2500
	[10000 - 60000]	21500 + 0,15*(Q₃₄₇ -10000)
	60000	10000