Variabilidad regional de los componentes del balance hídrico

Abstract

[Resumen] Actualmente para planificar y gestionar el territorio se requiere del conocimiento acabado de los recursos disponibles, siendo el agua uno de los más importantes. Para que las demandas de agua sean satisfechas, se requiere evaluar la asignación del recurso en tiempo y espacio. El balance hídrico permite conocer los volúmenes de agua disponibles para ser distribuidos en el tiempo. Además, es necesaria una amplia red de mediciones para cubrir una región, y aun así, posiblemente no será suficiente para describir adecuadamente el sistema. Existirán por lo tanto faltantes de información en tiempo y espacio, y que ya no podrán obtenerse por la observación o medición directa, pero que sí podrán ser inferidas por técnicas con base estadística. En Argentina, en líneas generales, la precipitación anual disminuye de este a oeste y de norte a sur, esto da una idea de cómo varía en el espacio, además existen, según las regiones, períodos lluviosos o secos que indican la variabilidad temporal en el ciclo anual. Frente a condiciones de gran variabilidad interanual de las precipitaciones, una red poco densa de estaciones meteorológicas, y con gran proporción de registros cortos, como las existentes en Argentina, el desafío es cuál es el método más eficiente para considerar la variabilidad espacio temporal de las variables hidrológicas. Los tradicionales métodos de promedios aritméticos de precipitaciones y ponderación con polígonos de Thiessen, han sido utilizados por años para el cálculo de la precipitación media areal de una cuenca. Surge entonces, la necesidad de estudiar, validar y difundir metodologías alternativas, que permitan estimar campos de precipitaciones y evapotranspiración más confiables y lograr mejores resultados en los balances. El uso de técnicas de regionalización y de krigeado de datos posibilita la obtención de campos de variables con distribución espacial que pueden representar su variación en el espacio. Asociar estos campos con la variación en el tiempo e introducirlos en los modelos de balances es el desafío. Pero ¿cuánto inciden estas variaciones en los resultados de los modelos? El objetivo perseguido en esta tesis es el de incorporar las estimaciones de variabilidad de las componentes del balance hídrico para la determinación de la oferta de agua. Se realiza en este trabajo la modelación en cuencas de Argentina dentro de Cuenca del Plata mediante el uso del programa CHAC basado en el método de Témez, e información hidrometeorológica proveniente de diversos organismos nacionales de Argentina vinculados a la gestión de los recursos hídricos. La modelación es a paso de tiempo mensual, para un periodo de 40 años, utilizando campos de precipitación y de evapotranspiración obtenidas por tres métodos distintos: el tradicional método de polígonos de Thiessen, métodos de regionalización y técnicas de kriging. Se contrastan los caudales observados con los simulados empleando estas tres técnicas en 12 cuencas de la margen izquierda del rio Paraná para analizar con cuál de ellas el ajuste con el hidrograma observado en la sección de control cumple con el nivel de error adoptado. Los resultados encontrados permiten destacar la importancia de contar con datos hidrometeorológicos uniformemente distribuidos en el espacio, recomendando una red densa para minimizar los errores de interpolación. Estos datos puntuales, empleados en técnicas de geoestadísticas, permiten generar campos de precipitación y evapotranspiración. No obstante el uso de series de tiempo resulta irremplazable para la aplicación de métodos de balances. El uso de modelos de balances a paso de tiempo mensual resulta suficiente para el conocimiento estacional de la oferta y una forma sencilla de cuantificarla. La oferta hídrica mensual estimada mediante balances hidrológicos resulta una valiosa herramienta al momento de planificar y gestionar las cuencas, en especial para la Cuenca del Plata que proporciona agua para usos tan variados como la navegación, agrícola, pecuario, humano, energético, industrial, pesquero, recreativo y como receptor de efluentes industriales y domésticos.

[Resumo] Actualmente para planear e xestionar o terreo é preciso o coñecemento profundo dos recursos dispoñibles, sendo a auga un dos máis importantes. Para que as demandas de auga sexan cumpridas é necesario avaliar a distribución do recurso no tempo e no espazo. O balance hídrico permite coñecer o volume de auga dispoñible ao longo do tempo. Ademais é necesaria unha rede de medicións para cubrir unha rexión, e aínda pode non ser suficiente para describir adecuadamente o sistema. Haberá, polo tanto, falta de datos que non están dispoñibles e que non poden ser obtidos por medición ou observación directa, pero que poden ser inferidos por medio de técnicas con base estatística. En Arxentina, en termos xerais, a precipitación anual diminúe de leste a oeste e de norte a sur, o que dá unha idea de como varía no espazo. Tamén existen, dependendo das rexións, períodos de choiva ou secas que indican a variabilidade temporal no ciclo anual. Ante condicións de grande variabilidade interanual de choivas, unha rede de estacións meteorolóxicas escasa e gran proporción de rexistros de curta duración, como os de Arxentina, o reto é identificar o método máis eficaz para considerar a variabilidade espazo-temporal das variables hidrolóxicas. Os métodos tradicionais, de medias aritméticas de precipitación e ponderación usando polígonos de Thiessen, foron usados durante anos para calcular a precipitación media areal para unha conca. Xorde entón, a necesidade de estudar, validar e difundir metodoloxías alternativas para estimar campos de precipitacións e evapotranspiración máis fiables e acadar mellores resultados nos balances.Usando técnicas de rexionalización e de kriging pódense obter campos de variables con distribución espacial que poden representar a súa variación no espazo. O reto é asociar estes campos coa variación no tempo e introducilos en modelos de balances. Pero cómo afectan estas variacións nos resultados dos modelos?. O obxectivo desta tese é incorporar estimacións de variabilidade das compoñentes do balance hídrico para a determinación da oferta de auga. Realizouse a modelización de cuncas en Arxentina, na “Cuenca del Plata”, usando o programa CHAC baseado no método de Témez, ademais de información hidrometeorolóxica de varios organismos nacionais de Arxentina ligados á xestión dos recursos hídricos. A modelización é mensual para un período de tempo de 40 anos, usando campos de precipitación e de evapotranspiración obtidos mediante tres métodos diferentes: o método tradicional dos polígonos de Thiessen, o método de rexionalización e técnicas de kriging. Contrastáronse os caudais observados cos simulados, mediante estas tres técnicas, en 12 concas da marxe esquerda do Río Paraná para analizar con cal delas o axuste do hidrograma observado na sección de control atende ao nivel de erro adoptado. Os resultados atopados permiten salientar a importancia de posuír datos hidrometeorolóxicos uniformemente distribuídos no espazo, recomendando unha densa rede para minimizar os erros de interpolación. Estes datos puntuais usados en técnicas de Xeoestatística, permiten xerar campos de precipitación e evapotranspiración, Nembargantes, o uso de series de tempo resulta irremplazable para a aplicación de métodos de balances. O uso de modelos de balances con datos mensuais é suficiente para o coñecemento estacional da oferta e un xeito sinxelo de cuantificalo. A oferta hídrica mensual estimada mediante balances hidrolóxicos é unha ferramenta valiosa na planificación e xestión das concas, sobre todo para a “Cuenca del Plata”, que fornece auga para usos tan variados como navegación, agricultura, gandería, humano, enerxético, industrial, pesqueiro , recreativo e como receptor de efluentes industriais e domésticos.

[Abstract] Nowadays land planning and management requires a thorough knowledge of the available resources, and water is one of the most important natural resources. In order that water demands could be satisfied, there is a need to assess the allocation of theses resource in time and space. The water balance method allows determining the volumes of available water that potentially may be distributed seasonally. However, accurate application of these methods requires a rather dense network of hydrometerorological measurements, so that in general the available information is not enough to adequately describe properly the study system. Most commonly, therefore, the preliminary information required to perform a water balance is scarce or lacking, both in space and time. In this way the information required, which is not available from direct measurements or synoptic observations can only be estimated in the best case using statistical methods. It has been shown that in Argentina annual precipitation show diminution from east to west and from north to south, and this general rule gives an approximate idea spatial rainfall variation. Also according to the different geographical regions, rainy or dry periods indicate the seasonal variability in the annual cycle. Under conditions responsible for high variability of precipitations, networks of meteorological stations with, and with big proportion of short registers, like the existent in Argentina, the challenge is which is the most efficient method to consider the variability temporary space of the hydrological variables. Traditional methods used for estimating precipitation, relying on averages obtained by the Thiessen polygon approach have been used in the past to assess the areal average precipitation of a basin. Subsequently, the need to study, validate and disseminate different alternative methodologies has been arisen; these should allow estimating areal precipitations and evapotranspiration rates in a more reliable manner and therefore it is expected to obtain better and reliable results in the components of the water balances. The use of regionalisation techniques and kriging of point data allows to obtain fields of variables, which are associated to a given pattern of spatial distribution, and this pattern can be represented The challenge lies in associate these spatial fields with time variations, using the spatial data sets as input in the models of water balance assessment. In other words, how big can be the effect of of the spatial variability in the results provided by water balance models?. Therefore, the objective of this Ph. D. thesis was to incorporate the variability of the main components of the water balance for assessing the water availability status at the studied catchments. The study has been carried out using the information available in various subctachments of Rio de la Plata basin, using the CHAC model, which is based on the Témez method and the hydrometerorological information obtained from several national organisms of Argentina associated to management of water resources. Modelling has been performed on a monthly base and involved a total period of 40 years. Three different methods have been utilized to obtain precipitation and evapotranspiration data sets as input data of the models, i.e., Thiessen polygons, regionalization and kriging techniques. Stream flow estimated using the above mentioned three methods for 12 catchments located at the left bank of the Paraná river have been checked to analyse what is the method that provides most reliable data sets matching the measured hygrograms at the control section of the available stations, taking into account levels of error adapted. The obtained results also clearly showed that recording data sets of hydrometeorological variables, which are uniformly distributed along the space, is very important for assessing the water balance ant to minimise the errors of interpolation. Geostatistical techniques allow generation of precipitation and evapotranspiration from point data. Nevertheless the use of time series has been shown to be irreplaceable for the application of methods of balance. Using balance models at the monthly time scale has been shown to be adequate to quantify the availability of water and to assess its seasonal occurrence. The monthly water availability estimated by means of hydrological balances has been found to be a valuable tool for scheduling and managing the studied basins, located within Rio de la Plata basin. This catchment provides water for a variety of uses, including navigation, agriculture, and human consumption, and husbandry, fisheries, energetic, industrial, and recreational and also plays a role as a receptor of industrial and domestic effluents.