Tendencia anual del caudal de salida, en referencia al caudal ecol贸gico en la Microcuenca Apacheta / Ayacucho / Per煤, del 2000 al 2018

Art铆culos originales

Tendencia anual del caudal de salida, en referencia al caudal ecol贸gico en la Microcuenca Apacheta / Ayacucho / Per煤, del 2000 al 2018

Outflow annual trend, compared to the ecological flow, in the Apacheta Micro-Basin / Ayacucho / Peru, from 2000 to 2018

Wilmer聽Moncada1聽

Bram聽Willems2聽

1 Universidad Nacional San Crist贸bal de Huamanga / Ayacucho / Per煤. Autor de correspondencia: wilmer.moncada@unsch.edu.pe.

2Centro de Competencias del Agua / Lima / Per煤. bwillems@cca.org.pe.

Resumen

El decreciente caudal de salida en la microcuenca Apacheta, observado durante el periodo 2000-2018, afecta de manera directa el almacenamiento de agua en la presa Cuchoquesera e impacta, de manera negativa, en la demanda para consumo humano y agr铆cola, muchas veces por encima de su disponibilidad h铆drica, as铆 como en el buen estado ecol贸gico de la microcuenca. A largo plazo, este problema puede intensificarse a consecuencia del cambio clim谩tico. El objetivo del presente estudio fue evaluar la tendencia anual del caudal de salida en la microcuenca Apacheta, as铆 como pronosticar valores futuros, en referencia a su caudal ecol贸gico de 2.24 m3/s y su sensibilidad en el momento de satisfacer adecuadamente las diferentes demandas. Para ello, se combinaron datos hidrometeorol贸gicos, informaci贸n satelital y el modelo PRMS-IV. Nuestros resultados indican que, de continuar la tendencia anual del caudal de salida, se podr铆a esperar una disminuci贸n del 46.1% y 56.1% por debajo de su caudal ecol贸gico, para los pr贸ximos 5 y 10 a帽os, respectivamente. A nivel de gobiernos regionales y nacionales, estos plazos se consideran t铆picamente para fines de planificaci贸n, en ese sentido, nuestros resultados tienen el potencial de guiar procesos de toma de decisiones hacia la mitigaci贸n de riesgos de escasez de agua.

Palabras clave:聽tendencia; escasez h铆drica; Apacheta; PRMS; caudal; ecol贸gico

Abstract

Decreasing outflow observed in the Apacheta micro-basin during the period 2000-2018, has a direct impact on the water storage of the Cuchoquesera dam, with subsequent negative impacts on local water provisioning for human consumption and agricultural activities – whose demand has already surpassed the supply capacity of the reservoir – as well as the ecological volume needed for ensuring the proper functioning of ecosystems along the catchment. In the long term, this problem may be intensified by the effects of climate change. The objective of this study was to assess the annual trend of the Apacheta micro-basin discharge and forecast future values, in comparison to its ecological flow of 2.24 m3/s and the sensitivity towards adequately satisfying the different demands over time. For this, we combined hydro-meteorological data and remote sensing information with the PRMS-IV hydrological model. Our results indicate that, upon continuing the annual outflow trend, a decrease of 46.1% and 56.1% below the ecological flow could be expected for the next 5 and 10 years, respectively. At the regional and national government levels, timeframes of 5-10 years are typically considered for planning purposes, in that sense, our results have the potential to guide decision-making processes towards mitigating water-scarcity risks.

Key words:聽trend; water-scarcity; Apacheta; PRMS; flow; ecological

Introducci贸n

Es posible que en la actualidad la microcuenca Apacheta de la Regi贸n Ayacucho, Per煤, se encuentre consumiendo sus reservas h铆dricas, en el sentido de que la permanencia de nieve en los nevados ha ido disminuyendo en los 煤ltimos a帽os, probablemente debido a la influencia del cambio clim谩tico (Pereda et al., 2018). En los 煤ltimos a帽os, la sostenibilidad de los ecosistemas de humedales en la microcuenca se ha visto afectada por el incremento de la temperatura y la disminuci贸n de la precipitaci贸n que impactan en los bofedales y, por ende, en la reducci贸n de las concentraciones de carbono (Huaman et al., 2020). Asimismo, el deshielo de los nevados, que se traduce en escorrent铆a y escurrimiento superficial y subsuperficial a trav茅s de tributarios al rio Apacheta, contribuyen v铆a trasvase a la presa Cuchoquesera para el consumo poblacional de la ciudad de Huamanga e irrigaci贸n de 谩reas agr铆colas en la cuenca Cachi (Moncada et al., 2018).

La aplicaci贸n del Sistema de Modelado de Precipitaci贸n y Escorrent铆a, versi贸n 4 (PRMS-IV), a la cuenca del r铆o Apalachicola-Chattahoochee-Flint en el sureste de Estados Unidos (1950 a 1999) simul贸 el caudal de salida mediante forzamientos clim谩ticos, evaluado y calibrado con par谩metros derivados de datos espaciales y datos medidos en 35 medidores de flujo USGS. Los resultados validados con el 脥ndice de Eficiencia Nash-Sutcliffe muestran un representativo balance de masa de la cuenca (LaFontaine et al., 2013). Estos resultados demuestran que la aplicaci贸n del modelo PRMS-IV en cualquier cuenca puede lograr un balance de masa confiable en el proceso de precipitaci贸n y escorrent铆a (Teng et al., 2017).

En efecto, para la determinaci贸n del balance de masa y la evaluaci贸n del caudal de salida en la microcuenca Apacheta, el modelo PRMS-IV requiere de datos clim谩ticos e informaci贸n geogr谩fica, adem谩s de validar los resultados con datos de aforo medidos en la estaci贸n hidrometeorol贸gica Apacheta, administrada por la Oficina de Operaciones y Mantenimiento de la cuenca Cachi del Gobierno Regional de Ayacucho (OPEMAN). La administraci贸n de los datos es 煤til para el seguimiento y sustento de una propuesta de protecci贸n y mantenimiento de la microcuenca Apacheta, enmarcadas dentro del ya culminado proyecto integral del rio Cachi (Corporaci贸n de Fomento y Desarrollo Econ贸mico y Social de Ayacucho, 1983).

Para lograrlo, se requiere del manejo de datos clim谩ticos y la obtenci贸n de informaci贸n a partir del uso de t茅cnicas de teledetecci贸n satelital (Sobrino, 2000; Canty, 2014) en la determinaci贸n de la cobertura de vegetaci贸n (Rouse et al., 1974), la cobertura nival (Dozier, 1989), elevaci贸n del terreno, relieve, orientaci贸n, aspecto y mapa de sombras extra铆das de un Modelo de Elevaci贸n Digital (DEM) (Cook et al., 2012).

De acuerdo con Kult et al. (2014) y Markstrom et al. (2015), el balance de masa obtenido del modelo PRMS-IV se calibra manipulando y ajustando par谩metros de calibraci贸n y se valida con datos de aforo. El balance de masa estimado permite evaluar la estacionalidad, el comportamiento de la tendencia anual y la variaci贸n del caudal de salida para la determinaci贸n de escenarios futuros en referencia al caudal ecol贸gico de la microcuenca Apacheta.

A partir de la serie de tiempo del caudal medio mensual de salida en la microcuenca Apacheta, se determina el caudal ecol贸gico o caudal m铆nimo equivalente al caudal, de acuerdo con la metodolog铆a que aprueba los 鈥淟ineamientos generales para determinar caudales ecol贸gicos鈥 detallada en la Resoluci贸n Jefatural N掳 267-2019-ANA (ANA, 2019).

En este sentido, el objetivo del presente trabajo fue evaluar la tendencia anual y pron贸stico del caudal de salida en referencia al caudal ecol贸gico de la microcuenca Apacheta, Regi贸n Ayacucho, desde el a帽o 2000 al 2018.

Materiales y M茅todos

La microcuenca Apacheta es cabecera de la cuenca Cachi, en el distrito de Paras, provincia de Cangallo, Regi贸n Ayacucho, Per煤, con longitudes de 74潞 37′ 26.4″ W a 74潞 45′ 32.4″ W y latitudes de 13潞 17′ 6″ S a 13潞 26′ 9.6″ S. La l铆nea lim铆trofe mostrada en la Figura 1 separa el 谩rea sur en verde claro perteneciente a la Regi贸n Ayacucho del 谩rea norte en verde oscuro perteneciente a la provincia de Huaytar谩 de la Regi贸n Huancavelica. Tiene un 谩rea de 14 348.21 ha, su elevaci贸n m铆nima es de 4 112 msnm, su elevaci贸n m谩xima de 5 045 msnm, y su elevaci贸n media es de 4 651 msnm (Pereda et al., 2018). Se caracteriza por tener tres estad铆os clim谩ticos, el lluvioso con valores altos de precipitaci贸n, temperatura m铆nima del aire y humedad; el estad铆o seco, con valores altos de velocidad del viento y bajos de temperatura m铆nima del aire; el estad铆o intermedio, con valores altos de temperatura m谩xima del aire y radiaci贸n solar, con valores medios de precipitaci贸n 71.09 mm, temperatura m谩xima del aire 12.73 掳C, temperatura m铆nima del aire -0.35 掳C, velocidad del viento 2.91 m/s y radiaci贸n solar 514.43 Ly (Moncada et al., 2020).

Figura 1聽Ubicaci贸n pol铆tica y geogr谩fica de la microcuenca Apacheta, Regi贸n Ayacucho, Per煤 (Pereda et al., 2018).聽

El modelo PRMS-IV es un sistema de modelado basado en procesos f铆sicos, determinista y de par谩metros distribuidos, desarrollado para evaluar la respuesta de varias combinaciones de clima y uso de suelo en la hidrolog铆a de cuencas hidrogr谩ficas, originalmente descrito por Leavesley et al. (1983); simula procesos del ciclo hidrol贸gico, que incluyen el caudal de salida, la evapotranspiraci贸n potencial, escorrent铆a, infiltraci贸n e interflujo estimados del balance de masa y energ铆a a partir de datos de cobertura de vegetaci贸n, cobertura nival, zona de suelo e informaci贸n clim谩tica, distribuida en 31 unidades de respuesta hidrol贸gica (HRU). Los datos de entrada al modelo PRMS-IV son valores diarios de precipitaci贸n, velocidad del viento, temperatura m谩xima y m铆nima del aire y datos de caudal de la estaci贸n hidrometeorol贸gica Apacheta. Tambi茅n se requieren datos diarios de radiaci贸n solar de onda corta extra铆dos del sistema de asimilaci贸n de datos terrestres globales versi贸n 2 (GLDAS-2) de la plataforma Giovanni NASA. El esquema de la Figura 2 muestra la metodolog铆a a seguir para determinar el balance de masa con el modelo PRMS-IV.

Figura 2聽Esquema metodol贸gico de la aplicaci贸n del modelo PRMS-IV para la simulaci贸n del caudal de salida en la microcuenca Apacheta, Regi贸n Ayacucho, Per煤.聽

El modelo PRMS-IV se ejecut贸 mediante m贸dulos especificados por el usuario en la secuencia correcta para simular el ciclo hidrol贸gico completo; incluye el c谩lculo de la distribuci贸n clim谩tica, per铆odo de transpiraci贸n activa, evapotranspiraci贸n potencial, intercepci贸n de la precipitaci贸n en la cubierta foliar, acumulaci贸n de capas de nieve y derretimiento, escorrent铆a superficial e infiltraci贸n, cuantificaci贸n de la humedad en el suelo, flujo de agua subterr谩nea, enrutamiento del caudal y almacenamiento de la superficie en depresiones. Estos m贸dulos, junto con otros, se utilizaron para la configuraci贸n del modelo, entrada de datos e informes de salida, con ecuaciones pertinentes y tablas que describen las entradas y salidas mediante par谩metros (Markstrom et al., 2008).

En la calibraci贸n del modelo se utiliz贸 la t茅cnica de Evoluci贸n de Mezcla Compleja (Duan et al., 1994). Se realiz贸 de manera manual siguiendo el procedimiento de calibraci贸n paso a paso. Primero se calibr贸 la radiaci贸n solar, por ejemplo, con el par谩metro 鈥渄day_intcp鈥 (con valores entre -70 y 10); despu茅s se calibra la evapotranspiraci贸n potencial con el par谩metro 鈥渏h_coef鈥 (con valores entre 0.005 y 0.09); seguidamente se calibr贸 el volumen de caudal, por ejemplo, con el par谩metro 鈥渁djust_rain鈥 (con valores entre 0 y 1); por 煤ltimo, se calibr贸 el tiempo de caudal, por ejemplo, con el par谩metro 鈥渁djmix_rain鈥 (con valores entre 0 y 1). Este procedimiento se repiti贸 hasta que se encontr贸 el ajuste 贸ptimo entre los valores simulados y observados, mediante una funci贸n objetivo o de optimizaci贸n de acuerdo con el coeficiente de ajuste en cada paso (Chang & Jung, 2010). Para ello, se utiliz贸 el caudal diario del limn铆metro de la bocatoma Apacheta, desde el 01 de setiembre de 2004 al 30 de mayo de 2017.

El caudal de salida simulado se valid贸 con datos de aforo medidos en la coordenada UTM, latitud 539857 m y longitud 8524841 m, en la bocatoma Apacheta, desde el 27 de marzo de 2009 al 17 de mayo de 2017, con un promedio de 9 a 10 datos por a帽o, haciendo un total de 85 datos. El grado de confiabilidad del caudal simulado se determin贸 calculando la eficiencia de Nash-Sutcliffe, el coeficiente de Nash-Sutcliffe-Ln para los valores del logaritmo (Krause et al., 2005), el coeficiente de correlaci贸n de Pearson, el coeficiente de determinaci贸n R2, la ra铆z del error medio cuadr谩tico (RMSE), Bias Score (BS), PBias, el error relativo al volumen (RVE) y el error de valores picos normalizado (NPE) (Nash & Sutcliffe, 1970; Krause et al., 2005).

Para la determinaci贸n del caudal medio, se calcul贸 el volumen debajo de la curva de duraci贸n del caudal con el c贸digo Matlab (Ap茅ndice 1), a partir de la serie de tiempo del caudal simulado con PRMS-IV en la microcuenca Apacheta.

Ap茅ndice 1. C贸digo en Matlab para el c谩lculo del volumen debajo de la curva de duraci贸n del caudal de salida en la microcuenca Apacheta.

Se aplic贸 la prueba de normalidad de Kolmogorov-Smirnov con la correcci贸n Lilliefors a la serie de tiempo del caudal medio mensual de salida simulado, donde: H0 indica que los datos del caudal medio mensual provienen de una distribuci贸n normal; H1 indica que los datos del caudal medio mensual no provienen de una distribuci贸n normal (Lilliefors, 1967). Utilizando el software R se ejecut贸 la prueba Lilliefors con el paquete “nortest”, ejecutando el c贸digo 鈥渓illie.test鈥, y se obtuvo el valor de discrepancia D = 0.148, que correspondi贸 a la discrepancia m谩xima en valor absoluto entre los datos medidos y te贸ricos, con un p-valor = 2.997脳10-13, menor al nivel de significancia 伪 = 0.05, por lo que se rechaz贸 la hip贸tesis nula H0, lo que significa que los datos del caudal medio mensual no provienen de una distribuci贸n normal. Este resultado permiti贸 tener en cuenta el sesgo del pron贸stico.

Con el c贸digo del Ap茅ndice 2, en R, se realiz贸 el pron贸stico del caudal de salida en la microcuenca Apacheta (Tornero, 2017). La funci贸n 鈥渇orecast鈥 emplea 鈥渁uto.arima鈥, que ajusta los datos del caudal medio mensual simulado de enero de 2000 a diciembre de 2018, al mejor modelo ARIMA(p, d, q); donde p, es el t茅rmino de la componente auto regresiva (AR); d, es el t茅rmino de la componente diferencial (I); y q, es el t茅rmino de la componente de media m贸vil (MA), para series de tiempo estacionales (Hyndman et al., 2020). El paquete 鈥減rophet鈥 utiliza modelos de regresi贸n aditivo, que ajusta los par谩metros de estacionalidad, cambios de tendencia y capacidad de crecimiento o irregularidades at铆picas, generando un posible escenario futuro de 24 meses, automatizado y robusto (Taylor & Letham, 2017).

Ap茅ndice 2. C贸digo para el pron贸stico del caudal medio mensual de salida en la microcuenca Apache

En la Tabla 1 se muestra la plantilla de c谩lculo del caudal ecol贸gico para los N = 19 a帽os de datos de caudal medio mensual simulados, del a帽o 2000 al 2018. En la segunda columna se observan las probabilidades calculadas con: P(%) = (m/N)脳100, ordenadas de menor a mayor, correspondientes a los caudales medios para cada mes de mayor a menor (ANA, 2019).

Tabla 1聽C谩lculo del caudal ecol贸gico para la microcuenca Apacheta, Regi贸n Ayacucho, Per煤.聽

m
P(%)
Ene
Feb
Mar
Abr
May
Jun
Jul
Ago
Set
Oct
Nov
Dic

1
5.26
8.94
15.27
8.54
5.10
3.10
2.52
2.41
2.75
4.62
5.48
5.65
8.21

2
10.53
8.82
9.30
8.44
5.04
2.91
1.94
2.32
2.32
4.27
4.05
4.53
7.68

3
15.79
7.37
9.29
8.09
4.87
2.67
1.92
2.05
2.29
3.43
3.72
4.21
7.58

4
21.05
7.11
8.36
7.99
4.79
2.48
1.80
1.95
2.17
3.09
3.67
4.15
7.37

5
26.32
6.92
7.56
7.70
4.52
2.38
1.79
1.85
2.02
3.03
3.60
4.06
7.29

6
31.58
6.42
7.08
6.91
3.96
2.15
1.77
1.82
1.86
2.67
3.27
3.57
6.51

7
36.84
6.32
6.61
6.72
3.94
2.12
1.74
1.82
1.83
2.36
3.21
3.39
6.33

8
42.11
6.13
6.61
5.97
3.32
2.03
1.72
1.77
1.81
2.30
2.97
3.17
5.91

9
47.37
6.05
6.61
5.83
3.29
1.97
1.58
1.74
1.81
2.23
2.90
3.14
5.86

10
52.63
6.05
6.46
5.80
3.22
1.88
1.54
1.69
1.76
2.22
2.90
2.99
5.61

11
57.89
5.87
6.45
5.40
3.17
1.85
1.54
1.68
1.70
2.21
2.85
2.90
5.34

12
63.16
5.51
5.71
5.10
3.05
1.76
1.40
1.55
1.67
2.20
2.74
2.80
5.17

13
68.42
5.18
5.56
5.00
3.03
1.69
1.39
1.55
1.64
2.06
2.72
2.73
5.01

14
73.68
4.99
5.50
4.94
2.84
1.66
1.37
1.48
1.53
2.05
2.70
2.67
4.88

15
78.95
4.92
5.30
4.70
2.83
1.65
1.36
1.48
1.52
2.03
2.68
2.67
4.78

16
84.21
4.48
4.78
4.60
2.79
1.64
1.32
1.39
1.51
2.02
2.55
2.32
4.13

17
89.47
3.82
4.40
4.31
2.72
1.62
1.25
1.24
1.41
1.93
2.48
2.13
3.31

18
94.74
3.48
4.12
4.28
2.71
1.50
0.94
1.04
1.28
1.00
2.43
1.59
2.79

19
100.00
2.51
2.78
3.76
2.32
1.31
0.78
0.70
1.07
0.98
2.06
1.56
2.63

Promedio
5.84
6.72
6.00
3.55
2.02
1.56
1.66
1.79
2.46
3.10
3.17
5.60

Los valores del caudal ecol贸gico corresponden al 95%, que se calcularon por interpolaci贸n lineal con los valores adyacentes, al 94.74% y 100%, los cuales se muestran en la Tabla 2. Estos valores se interpolaron al 95% de persistencia en el punto de inter茅s de la fuente natural de agua, dando un valor medio de 2.24 m3/s de caudal ecol贸gico en la microcuenca Apacheta.

Tabla 2聽Caudal ecol贸gico al 95% de la microcuenca Apacheta, Regi贸n Ayacucho, Per煤.聽

P (%)
Ene
Feb
Mar
Abr
May
Jun
Jul
Ago
Set
Oct
Nov
Dic
Prom (m3/s)

94.74
3.48
4.12
4.28
2.71
1.50
0.94
1.04
1.28
1.00
2.43
1.59
2.79

95
3.43
4.06
4.25
2.69
1.49
0.93
1.02
1.27
0.99
2.41
1.59
2.78
2.24

100
2.51
2.78
3.76
2.32
1.31
0.78
0.70
1.07
0.98
2.06
1.56
2.63

Resultados y discusi贸n

Las pruebas de validaci贸n de la Tabla 3, realizadas al caudal simulado con PRMS-IV respecto al caudal observado o medido en el punto de aforo en la bocatoma Apacheta desde el 27 de marzo de 2009 al 17 de mayo de 2017, un promedio de 9 a 10 datos por a帽o, con un total de 85 datos, muestra que los valores reales calculados por los indicadores se encuentran dentro del rango de evaluaci贸n y muy cerca del valor ideal.

En complemento a las pruebas de validaci贸n de la Tabla 3, se compararon los datos del caudal de salida simulado con el caudal observado o medido en el punto de aforo en la bocatoma Apacheta, tal como se muestra en la Figura 3. Se observa que ambos guardan correspondencia en su comportamiento y un buen ajuste para fechas diferidas del a帽o 2009 al 2017.

Tabla 3聽Pruebas de validaci贸n del caudal simulado con el modelo PRMS-IV con respecto al caudal observado en el punto de aforo en la Bocatoma Apacheta.聽

Indicador
Rango de Evaluaci贸n
Valor Ideal
Valor Real

Eficiencia de Nash-Sutcliffe
[-鈭; 1] 1
0.89

Coeficiente de Nash-Sutcliffe-Ln
[-鈭; 1] 1
0.93

Coeficiente de correlaci贸n Pearson
[-1; 1] 1
0.96

Coeficiente de determinaci贸n R2

[0; 1] 1
0.91

Ra铆z del error medio cuadr谩tico RMSE
[0; +鈭瀅 0
0.25

Bias-Score (BS)
[0; 1] 1
0.99

PBias
[-鈭; +鈭瀅 0
0.12

Error Relativo al volumen (RVE)
[-鈭; +鈭瀅 0
0.07

Error de valores picos normalizados (NPE)
[-鈭; +鈭瀅 0
0.19

Figura 3聽Comparaci贸n del caudal simulado con el caudal observado de salida en la microcuenca Apacheta, Regi贸n Ayacucho.聽

La validaci贸n del caudal de salida simulada se da en relaci贸n con los datos de aforo del caudal observado de manera gr谩fica, conforme se muestra en la Figura 4. La correlaci贸n lineal se establece mediante un coeficiente de determinaci贸n R2 = 0.91, lo cual significa que los datos del caudal observado explican en un 91% al caudal de salida simulado con PRMS-IV. Esta aseveraci贸n, en adici贸n a las pruebas de validaci贸n de la Tabla 3, es suficiente para afirmar que el modelo funciona correctamente y que el resultado es v谩lido con una ligera sobre estimaci贸n del caudal simulado con respecto al observado, en relaci贸n con la l铆nea de tendencia.

Figura 4聽Correlaci贸n lineal entre el caudal simulado con el modelo PRMS IV con respecto al caudal observado medidos en la bocatoma Apacheta.聽

La simulaci贸n del caudal diario de salida en la microcuenca, desde el 01 de enero del 2000 hasta el 31 de diciembre del 2018, se muestra en la Figura 5. Esta serie de tiempo permite construir la curva de duraci贸n de flujo de caudal diario de salida en la bocatoma Apacheta. La prueba de normalidad aplicada a la serie de tiempo del caudal simulado indica que los datos no provienen de una distribuci贸n normal (p < 0.05); por lo tanto, el pron贸stico del comportamiento del caudal en el tiempo deseado se obtiene con un sesgo de pron贸stico muy alto, por lo que la curva de duraci贸n es t铆pica para el r茅gimen de caudales.

Figura 5聽Serie de tiempo del caudal diario de salida simulado con el modelo PRMS-IV en la microcuenca Apacheta, del a帽o 2000 al 2018.聽

En la Figura 6 se observa la escala vertical de la curva de duraci贸n del caudal diario (m3/s) y la escala horizontal para la probabilidad de que el caudal pueda ser igualado o excedido, es decir el porcentaje (%) de tiempo que indica que el caudal fue igualado o superado. Se aprecia que la curva de duraci贸n de caudal tiene una forma t铆pica que depende de las particularidades de la microcuenca, donde la pendiente acentuada en el tramo inicial de la curva de duraci贸n indica que se presenta, con menor probabilidad, un caudal m谩ximo de 27 m3/s en per铆odos muy cortos. El registro de datos diarios utilizados para la construcci贸n de la curva de duraci贸n de flujo de caudal corresponde a la serie de tiempo de la Figura 5; por lo tanto, cuanto mayor es el n煤mero de registros mayor ser谩 la confiabilidad de la estimaci贸n, siempre que las condiciones de la microcuenca se mantengan sin cambios considerables. La forma de la curva de duraci贸n del caudal de salida es un indicativo del proceso de drenaje, es decir, presenta una pendiente pronunciada entre el 0% y el 50% de excedencia, la misma que representa una corriente de agua con gran variabilidad entre los caudales transportados; esto significa que su caudal proviene principalmente de la escorrent铆a superficial. El valor del caudal que se obtiene para el 50% del tiempo igualado o excedido corresponde a la mediana del caudal de la serie, equivalente a 2.27 m3/s. El valor calculado de Z =1 316.8 corresponde al valor de la integral debajo de la curva de duraci贸n de caudal que se divide entre 365 d铆as, da un caudal medio de 3.61 m3/s, que es mayor a la mediana del caudal de 2.27 m3/s, lo que significa que existen caudales mayores a 3.61 m3/s en porcentajes de tiempo menores a 34.37%. Asimismo, existe mayor durabilidad de caudales menores a 2.27 m3/s en porcentajes de tiempo mayores al 50%. Si la oferta de caudal de agua es mayor que la demanda de agua, entonces la fuente proveedora tendr谩 la capacidad de satisfacer la demanda sin necesidad de almacenamiento, situaci贸n que no se presenta para el caso de la microcuenca Apacheta ya que el caudal es menor en un 50% de tiempo, por lo que es necesario proponer programas de almacenamiento de agua.

Figura 6聽Curva de Duraci贸n de Flujo para el caudal de salida simulado con PRMS-IV en la bocatoma Apacheta, del a帽o 2000 al 2018.聽

El caudal medio mensual simulado con PRMS-IV en la microcuenca corresponde al aporte de las 31 Unidades de Respuesta Hidrol贸gica (HRUs) que la conforman, cuyos tributarios convergen a la zona m谩s baja de la microcuenca, dando lugar al nacimiento del r铆o Apacheta. En la serie de tiempo de la Figura 7 se observa una pronunciada tendencia negativa del caudal de salida desde enero del a帽o 2000 a diciembre de 2018, lo cual implica una significativa disminuci贸n del caudal en los 煤ltimos a帽os.

Figura 7聽Serie de tiempo del caudal medio mensual de salida simulado con el modelo PRMS-IV en la microcuenca Apacheta, desde el a帽o 2000 al 2018.聽

En la Figura 8 se muestra el diagrama de cajas del caudal medio mensual de salida en la microcuenca, desde el a帽o 2000 al 2018. En ella se observa la distribuci贸n estacional del caudal medio mensual, el mismo que muestra caudales con mayor afluente en los meses de diciembre, enero, febrero y marzo, que corresponden a los meses del estad铆o lluvioso; los valores at铆picos de hasta 15 m3/s se deben a precipitaciones intensas fortuitas. El caudal medio mensual de salida con menor valor se da en los meses de mayo, junio, julio y agosto, con valores at铆picos de hasta 2.5 m3/s y corresponden a meses de un estad铆o seco, con precipitaciones de tipo nival (Moncada et al., 2020).

Figura 8聽Diagrama de cajas para la estacionalidad del caudal medio mensual de salida en la microcuenca Apacheta.聽

La Figura 9 muestra la descomposici贸n de la serie de tiempo del caudal medio mensual de salida en la microcuenca en tres componentes: estacional, tendencia y residuo. El componente estacional se asume que es constante para cada a帽o, por lo que se demuestra que la evoluci贸n del caudal medio mensual, con el paso de los a帽os, mantiene la existencia de un patr贸n de evoluci贸n. El componente de tendencia muestra un pronunciado decremento en la evoluci贸n del caudal medio mensual desde el a帽o 2000 al 2006, pero en el 2007 se observa un ligero incremento que con el paso de los a帽os va disminuyendo, acentu谩ndose en un significativo decremento desde el 2008 hasta el 2015. En los 煤ltimos a帽os, entre el 2015 al 2018, el caudal de salida es mucho menor que en los a帽os anteriores, por lo que se podr铆a inferir que la serie de tendencia que se presenta desde el a帽o 2000 al 2018 es 鈥渄ecreciente鈥. En el componente de residuo o irregularidad o ruido se muestra la presencia de muchas variaciones, lo que implica la existencia de estacionariedad, justificando el diagrama de cajas de la Figura 8.

Figura 9聽Descomposici贸n de la serie de tiempo del caudal medio mensual de salida simulado con PRMS-IV en la microcuenca Apacheta, desde el a帽o 2000 al 2018.聽

La tendencia anual del caudal medio anual (Q) en la microcuenca, desde el a帽o 2000 al 2018, sigue el comportamiento del modelo determinado por la F贸rmula 1, conforme se muestra en la Figura 10. En el a帽o 2000 el valor medio del caudal fue de 4.33 m3/s y en el 2018 fue de 2.77 m3/s. Siguiendo el comportamiento de la l铆nea de tendencia anual, desde el 2000 al 2018, el caudal medio anual de salida disminuy贸 en 1.56 m3/s, equivalente al 36.1% con respecto a su valor inicial, en 19 a帽os, lo cual justifica una variaci贸n considerable de algunos par谩metros hidrol贸gicos y clim谩ticos, como la disminuci贸n de la precipitaci贸n, el incremento de la temperatura superficial del suelo, el aumento de la evapotranspiraci贸n, la disminuci贸n de la cobertura nival o el incremento de la temperatura m谩xima del aire en la microcuenca Apacheta.

F贸rmula 1. Tendencia anual del caudal medio anual (Q).

El pron贸stico de la serie de tiempo del caudal medio mensual de salida en la microcuenca Apacheta se representa en la Figura 11, donde se observa que los datos ajustados al modelo siguen el comportamiento de la l铆nea de color azul, los datos modelados para el pron贸stico siguen la estacionalidad de la l铆nea de color verde, los datos pronosticados desde enero de 2019 hasta diciembre de 2020 siguen el comportamiento de la l铆nea de color rojo y la sombra de color gris corresponde al rango de probabilidad de los datos pronosticados. As铆 mismo, se observa que el modelo de pron贸stico del caudal de salida, de acuerdo con los resultados mostrados en la Figura 11, sigue el mismo comportamiento de la l铆nea de tendencia anual mostrada en la Figura 10. Es importante resaltar que las predicciones se realizan dentro del plazo de 5 a帽os, ya que es el tiempo necesario para la toma de decisiones por parte de las autoridades competentes, priorizando a nivel del Gobierno Regional de Ayacucho una cartera de proyectos relacionados con la siembra y cosecha del agua de acuerdo con el Reglamento de la Ley N掳 30215, Ley de Mecanismos de Retribuci贸n por Servicios Ecosist茅micos (MINAM, 2016), y la priorizaci贸n de 谩reas para el programa Sierra Azul.

Figura 10聽Tendencia anual del caudal medio anual simulado con PRMS-IV en la microcuenca Apacheta, desde el a帽o 2000 al 2018.聽

Figura 11聽Pron贸stico del caudal medio mensual de salida simulado con PRMS-IV en la microcuenca Apacheta, desde enero de 2000 a diciembre de 2018.聽

La Figura 12 compara la estacionalidad del caudal de salida en referencia al caudal ecol贸gico de la microcuenca Apacheta; ambos mantienen un patr贸n similar de comportamiento para los doce meses del a帽o. A pesar de ello, el caudal de salida se acerca al caudal ecol贸gico en los meses de mayo, junio, julio y agosto, lo cual indica que en estos meses el caudal de salida es muy bajo, con una tendencia de escasez de agua, ya que estos meses corresponden al estad铆o seco. La determinaci贸n del caudal ecol贸gico garantiza un caudal necesario para la conservaci贸n de la biodiversidad y el mantenimiento de los ecosistemas de la microcuenca. Considerando que la bocatoma Apacheta fue construida en el a帽o 1985, no tiene las consideraciones de los par谩metros impuestos en la normativa de la Resoluci贸n Jefatural 267-2019-ANA, (ANA, 2019), lo cual evidencia la no sostenibilidad del trasvase a la presa de Cuchoquesera, siendo preocupante en los 煤ltimos a帽os, tal como se demuestra en la evaluaci贸n de la tendencia anual y el pron贸stico del caudal de salida en la microcuenca Apacheta.

Figura 12聽Comparaci贸n del caudal de salida estacional con el caudal ecol贸gico de la microcuenca Apacheta.聽

Conclusiones

Las pruebas de validaci贸n realizadas al caudal de salida simulado con el modelo PRMS-IV con respecto a los aforos medidos en la bocatoma Apacheta, mostraron valores dentro del rango de evaluaci贸n muy cerca al valor ideal, correspondiente a cada indicador de validaci贸n, por lo que se concluye que los valores del caudal simulado mediante la aplicaci贸n del modelo PRMS-IV, son aceptables, con una ligera sobrestimaci贸n de los datos del caudal simulado con respecto al observado.

La curva de duraci贸n del flujo de caudal de salida en la primera bocatoma Apacheta es un indicativo del proceso de drenaje en la microcuenca, mostrando un caudal medio de 3.61 m3/s mayor al caudal mediano 2.27 m3/s, lo que significa que existen caudales mayores a 3.61 m3/s en porcentajes menores a 34.4%. Por ello, se concluye que existe mayor durabilidad para caudales menores a 2.27 m3/s en porcentajes mayores al 50%. Asimismo, el caudal m铆nimo probable de la curva se puede suministrar durante todo el a帽o, con una probabilidad de excedencia pr贸xima al 100%.

La tendencia anual del caudal de salida en la microcuenca Apacheta sigue el comportamiento lineal con tendencia negativa, mostrando un decremento de 1.56 m3/s desde el a帽o 2000 al 2018, que representa una disminuci贸n del 36.1% del valor inicial. Si se mantiene la l铆nea de tendencia negativa, se espera que a finales del 2020 el caudal medio anual de salida sea de 2.59 m3/s, correspondiente a una disminuci贸n del 40.1%; a finales del 2023 se espera que el caudal medio anual de salida sea de 2.33 m3/s, con una disminuci贸n del 46.1% muy cerca al caudal ecol贸gico que es 2.24 m3/s. En base a estos posibles escenarios y teniendo en cuenta el crecimiento poblacional en la ciudad de Ayacucho, se estima que a finales del a帽o 2025 el caudal medio anual se encontrar谩 por debajo del caudal ecol贸gico. Considerando que la oferta de agua disminuya y que la demanda debido al crecimiento poblacional aumente, se espera una probable escasez de agua en la microcuenca Apacheta, ya que no tendr谩 la capacidad de satisfacer dicha demanda, por lo que se hace necesario la construcci贸n de presas de almacenamiento de agua o el fortalecimiento de programas de siembra y cosecha de agua, o la b煤squeda de fuentes de agua subterr谩nea. Estos resultados, que por ciertos son de escasos trabajos de investigaci贸n de este tipo realizados en Ayacucho, son de gran importancia en la medida que los tomadores de decisiones se interesen en hacer frente a los posibles escenarios de escasez de agua que se avizoran dentro del horizonte temporal en un rango de 5 a 10 a帽os.

Agradecimientos

Este trabajo ha sido posible gracias al apoyo de los proyectos 鈥淪trengthening resilience of Andean river basin headwaters facing global change鈥 (PGA_084063), financiado por el Programa PEER de USAID; e 鈥淚nternational Water Security Network鈥, financiado por el Lloyd鈥檚 Register Foundation. Asimismo, los autores agradecen al Dr. Wouter Buytaert por su aporte, al equipo Agua Andes por su apoyo, a OPEMAN del Gobierno Regional de Ayacucho por facilitar los datos hidro meteorol贸gicos, y a la Universidad Nacional de San Crist贸bal de Huamanga por la licencia brindada por capacitaci贸n.

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Source: www.scielo.org.pe

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