Modelo numérico integral de interacción entre el flujo del agua superficial y subterránea en una cuenca hidrográfica montañosa con escasos datos hidrológicos. Caso de la cuenca del río Casacay, Ecuador

Abstract

[Resumo] A xestión dos recursos hídricos en concas hidrográficas con escasa información meteorolóxica e hidrolóxica representa un reto técnico de gran relevancia, especialmente en rexións montañosas e rurais de países en vías de desenvolvemento. A conca do río Casacay, situada na provincia de El Oro, Ecuador, constitúe un caso emblemático deste tipo de territorios, onde a ausencia de rexistros históricos continuos de precipitación, caudais e niveis freáticos limita o deseño de estratexias sostibles para o aproveitamento e a conservación da auga. Neste contexto, a presente tese doutoral tivo como obxectivo principal determinar unha metodoloxía para o cálculo de caudais en cursos de auga superficial mediante a modelización numérica dunha conca hidrográfica con escasa información hidrolóxica. Para iso, desenvolveuse unha investigación estruturada en catro obxectivos específicos: a análise do coñecemento das metodoloxías aplicadas en contextos con baixa dispoñibilidade de datos; a cuantificación de variables clave para representar fluxos superficiais e subterráneos; a modelización integral do sistema hidrolóxico da conca do río Casacay; e a proposta dunha metodoloxía replicable para estimar caudais en contornos con limitacións semellantes. Como ferramenta central empregouse o modelo numérico MELEF-FSW, de enfoque determinista e baseado en elementos finitos, que permitiu simular a interacción entre os compoñentes superficial e subterráneo do ciclo hidrolóxico. O modelo foi calibrado e validado mediante un conxunto de datos recollidos no campo e apoiado con insumos xerados por sensores remotos e análise SIG. Os resultados evidenciaron unha baixa capacidade de retención hídrica do solo, fortes oscilacións estacionais na reserva superficial e unha tendencia descendente acumulativa da reserva subterránea. Estes achados reflicten a vulnerabilidade da conca ante escenarios de presión hídrica e cambio climático, e xustifican a necesidade de implementar un modelo de xestión integral. Como produto final, propónselle unha metodoloxía híbrida que combina medicións estratéxicas de campo con modelación numérica calibrada, apta para a súa aplicación en concas montañosas con información limitada. Esta contribución ofrece unha ferramenta práctica e robusta para mellorar a toma de decisións no manexo do recurso hídrico en territorios con condicións semellantes.[Resumen] La gestión de recursos hídricos en cuencas hidrográficas con escasa información meteorológica e hidrológica representa un desafío técnico de gran relevancia, especialmente en regiones montañosas y rurales de países en desarrollo. La cuenca del río Casacay, localizada en la provincia de El Oro, Ecuador, constituye un caso emblemático de este tipo de territorios, donde la ausencia de registros históricos continuos de precipitación, caudales y niveles freáticos limita el diseño de estrategias sostenibles de aprovechamiento y conservación del agua. En este contexto, la presente tesis doctoral tuvo como objetivo principal determinar una metodología para el cálculo de caudales en cuerpos de agua superficial a través de la modelización numérica de una cuenca hidrográfica con escasa información hidrológica. Para ello, se desarrolló una investigación estructurada en cuatro objetivos específicos: el análisis del conocimiento de las metodologías aplicadas en contextos de baja disponibilidad de datos; la cuantificación de variables clave para representar flujos superficiales y subterráneos; la modelización integral del sistema hidrológico de la cuenca del río Casacay; y la propuesta de una metodología replicable para estimar caudales en entornos con limitaciones similares. Como herramienta central se utilizó el modelo numérico MELEF-FSW, de enfoque determinista y basado en elementos finitos, que permitió simular la interacción entre los componentes superficial y subterráneo del ciclo hidrológico. El modelo fue calibrado y validado mediante un conjunto de datos recolectados en campo y apoyado con insumos generados mediante sensores remotos y análisis SIG. Los resultados evidenciaron una baja capacidad de retención hídrica del suelo, fuertes oscilaciones estacionales en la reserva superficial y una tendencia descendente acumulativa de la reserva subterránea. Estos hallazgos reflejan la vulnerabilidad de la cuenca ante escenarios de presión hídrica y cambio climático, y justifican la necesidad de implementar un modelo de gestión integral. Como producto final, se propone una metodología híbrida que combina mediciones estratégicas de campo con modelación numérica calibrada, apta para aplicarse en cuencas de montaña con información limitada. Esta contribución ofrece una herramienta práctica y robusta para mejorar la toma de decisiones en el manejo del recurso hídrico en territorios con condiciones similares.[Abstract]Water resource management in watershed areas with limited meteorological and hydrological information presents a significant technical challenge, particularly in mountainous and rural regions of developing countries. The Casacay River basin, located in the province of El Oro, Ecuador, exemplifies such territories, where the lack of continuous historical records of precipitation, streamflow, and groundwater levels restricts the design of sustainable strategies for water use and conservation. In this context, the main objective of this doctoral thesis was to determine a methodology for estimating streamflows in surface water bodies through the numerical modeling of a watershed with limited hydrological information. The research was structured around four specific objectives: analyzing the state of the art of flow estimation methodologies in data-scarce environments; quantifying key variables related to surface and subsurface flows; developing an integrated hydrological model of the Casacay River basin; and proposing a replicable methodology for estimating streamflows in similar contexts. The central modeling tool was the MELEF-FSW numerical model, which uses a deterministic, finite-elementbased approach to simulate the interaction between surface and groundwater flow components. The model was calibrated and validated using field data strategically collected within the basin, and was further supported by remote sensing products and GIS-based spatial analysis. The results revealed a low soil moisture retention capacity, high seasonal variability in surface water and acumulative decline in groundwater storage. These findings reflect the basin’s vulnerability to hydrological stress and potential climate change impacts, underscoring the need for integrated water management approaches. As a final contribution, this research proposes a hybrid methodology that combines strategically targeted field measurements with calibrated numerical modeling, applicable to mountainous watersheds under conditions of limited data availability. This approach offers a practical and robust tool to enhance decision-making in the sustainable management of water resources in comparable territories.