Obras y proyectos

Interactions between groundwater and surface water in the Bío Bío region of Chile

Los procesos geológicos que formaron el territorio de Ia zona central de Chile produjeron las condiciones para que existan importantes interacciones entre los sistemas de agua superficial y subterránea. Si bien estas interacciones son bastantes características en la zona Central de Chile, no son adecuadamente comprendidas por usuarios del agua, quienes aún mantienen un antiguo paradigma de considerar los sistemas superficiales como elementos separados de los sistemas subterráneos, situación que ha generado múltiples conflictos para la administración de los recursos hídricos de la zona. Con el fin de ilustrar los diferentes tipos de interacciones existentes en la zona central de Chile, este documento presenta casos de estudio realizados en la Región del Bío Bío de Chile, donde se identifica y explica este tipo de interacciones mediante análisis geológicos y aplicaciones de modelos hidrológicos. Se presentan tres casos de estudio: i) la zona alta del río Diguillín y su relación con la falta de agua en el Valle del estero Renegado, ii) la zona de Cato y su limitación productiva por altos niveles de agua subterránea, y iii) el efecto de la formación de las Arenas del Laja en el balance hídrico de los ríos de dicha cuenca. Luego de presentar estos casos de estudio se hace énfasis en que, el uso de modelos simples como la trasposición de caudales crecidas o el supuesto de igualdad de rendimiento específico, pueden generar resultados erróneos cuando existen cuencas donde las condiciones geológicas producen importantes trasvase de agua subterránea.

The geological processes that formed the central zone of Chile produced the conditions which favour the existence of important interactions between the surface water and groundwater systems. While these interactions are characteristic features in the Central Zone of Chile, they are not adequately understood by water users, who still maintain an old paradigm of considering surface systems as separate elements from the underground systems, a situation that has led to many conflicts in the management of water resources in the area. In order to illustrate the different types of interactions in central Chile, this paper presents study cases performed in the Bío Bío Region of Chile, which identifies and explains these interactions by geological analyses and hydrological model applications. Three case studies are presented: i) the upper area of Diguillín river and its relation to the lack of water in the Renegado valley, ii) the Cato river area and its production limitation by high groundwater levels, and iii) the effect of the Arenas del Laja formation in the basin water balance. After presenting these case studies it is emphasized that the use of simple models such as the transposition offlood flows or the assumption ofconstant specificflows, may give erroneous results when there are basins where geological conditions cause significant diversion of groundwater.

Characterisation of the HEC-HMS model to the river Arga's watershed in Pamplona and its application to five significant floods

Pamplona es una ciudad que es atravesada por el río Arga a lo largo de una llanura aluvial, que es susceptible de inundaciones cuando se producen avenidas de cierta magnitud. Ante esta situación es importante contar con un modelo hidrológico que permita simular los caudales del río que atraviesa el núcleo urbano, a partir de los datos de los distintos pluviómetros existentes en la cuenca, y que sirva para alimentar a modelos hidráulicos que permitan definir las zonas inundables asociadas a distintos niveles de probabilidad. Con esta finalidad, se ha montado y caracterizado el modelo HEC-HMS de la cuenca del río Arga en Pamplona, y posteriormente, se ha aplicado a las cinco avenidas más significativas de los últimos años, de las que se disponen de los mínimos datos de caudal y precipitación necesarios. HEC-HMS es un modelo lluvia-escorrentía que se basa en estructurar la cuenca origen en subcuencas asociadas a los cauces de la red fluvial. El flujo base en los hidrogramas observados se ha estimado mediante el filtro de Eckhardt. Después de realizar un análisis de sensibilidad de los parámetros inciertos del modelo, en el que se ha observado que el más sensible es el CN, se ha aplicado el modelo con los datos de las series de precipitación de las estaciones automáticas, y con los datos de las automáticas más las manuales, en este segundo caso los resultados han mejorado significativamente obteniéndose resultados satisfactorios.

Pamplona is a citty that is crossed by the river Arga along a floodplain, which is susceptible to flooding when there are floods of certain magnitude. In this situation it is important to have a hydrological model able to simulate the flows that runs through the city centre, from the data of different gauges in the watershed, which serve to feed hydraulic models that permits to define the flooding susceptible areas associated to different levels of probability. With this end, the HEC-HMS model of river Arga 's watershed in Pamplona, has been assembled and characterised, and subsequently applied to the five most significant floods in recentyears,from which the minimum required data offlow andprecipitation is available. HEC-HMS is a rainfallrunoff model that consists of structuring the source watershed into sub-watersheds associated to the river network. The base flow in the observed hydrographs was estimated by the Eckhardt filter. After performing a sensitivity analysis of uncertain parameters of the model (in which it has been observed that CN is the most sensitive) the model has been applied with data from the precipitation series of the automatic stations and data from automatic plus manual stations; in the latter case the results have improved significantly, obtaining satisfactory results.

Monthly water balance of a Patagonia Basin of Chile: application of a parsimonious model

La necesidad de conocimiento específico del funcionamiento e interacción de los fenómenos hidrológicos en una cuenca, hace necesario la aplicación de modelos hídricos mensuales que permitan cuantificar la variación de los almacenamientos en una zona donde los datos existentes son escasos o muy recientes. Este trabajo se realizó en el periodo hidrológico desde 1980/1981 al 2000/2001 en la cuenca del río Simpson (subcuenca del río Aysén), ubicada en la Región de Aysén, Patagonia chilena (LatitudSur 45°20'- 46°10'). El modelo utilizado corresponde a un modelo parsimonioso de 6 parámetros ligeramente modificado a las características de la zona en estudio, para el cual se posee una distribución espacial de la precipitación y evapotranspiración potencial, obtenida con geoestadística y evapotranspiración de referencia de Hargreaves y Samani. Como resultado se obtuvo la distribución mensual de los almacenamientos con correlaciones del modelo de 0.88 en la calibración y 0.83 en la validación, y un error del balance hídrico medio anual menor al 5%.

The need for specific knowledge of the functioning and interaction of hydrological phenomena in a basin necessitates the application of monthly water models to quantify the change in storage of an area where collected data are scarce or very recent. This work was performed in the hydrologic period from 1980/1981 to 2000/2001 in the Simpson river basin (basin of the river Aysen), located in the Aysen Region, Chilean Patagonia (South Latitude 45°20'-46°10'). A parsimonious model of 6parameters, slightly modified to the characteristics of the study area, is used; for which a spatial distribution of precipitation and potential evapotranspiration is obtained with geostatistic and Hargreaves and Samani reference evapotranspiration. The result was a monthly distribution of the storage model with correlations of 0.88 and 0.83 for the calibration and validation periods, respectively, and an average annual water balance error less than 5%.

Parameter uncertainty methods in evaluating a lumped hydrological model

Water resources modelers face the challenge of dealing with numerous uncertainties due to the lack of knowledge of the natural systems, numerical approaches used in modeling (equations, parameters, structures, solutions), and field data collected to set up and evaluate models. Propagation of parameter uncertainty into model results is a relevant topic in environmental hydrology. Uncertainty analyses improve assessment ofhydrological modeling. There is a need in modern hydrology of developing and testing uncertainty analysis methods that support hydrological model evaluation. In this research the propagation of model parameter uncertainty into streamflow model results is evaluated. The Hydrological Simulation Program - FORTRAN (HSPF) supported by the US Environmental Protection Agency was evaluated using hydroenvironmental data from the Luxapallila Creek watershed located in Mississippi and Alabama, USA. The uncertainty bounds ofmodel outputs were computed using the Monte Carlo simulation and Harr 's point estimation methods. Analysis of parameter uncertainty propagation on streamflow simulations from 12 HSPF parameters was accomplished using 5,000 Monte Carlo random samples and 24 Harr selected points for each selected parameter. The comparison showed that Harr's method could be an appropriate initial indicator of parameter uncertainty propagation on streamflow simulations, particularly for hydrology models with several parameters.

Los modeladores de recursos hídricos enfrentan el desafío de trabajar con diferentes tipos de incertidumbre debido a la falta de un completo conocimiento de los sistemas naturales, procesos de modelación, aproximaciones numéricas (ecuaciones, parámetros, estructuras, soluciones), y datos de terreno tomados para desarrollar y evaluar modelos. La propagación de la incertidumbre paramétrica en los resultados de las simulaciones es un tópico relevante en la hidrología ambiental. Los análisis de incertidumbre mejoran la evaluación en el modelamiento hidrológico. Existe una necesidad en la hidrología moderna de desarrollar y evaluar métodos de análisis de incertidumbre que apoyen la evaluación de los modelos hidrológicos. En esta investigación se evaluó la propagación de la incertidumbre de los parámetros de un modelo en los resultados del flujo simulado. Un programa de simulación hidrológico HSPF patrocinado por la Agencia Ambiental de los EE.UU., fue evaluado utilizando datos hidroambientales de la cuenca de la quebrada Luxapallila localizada en los estados de Misisipi y Alabama, EE.UU. Los límites de incertidumbre de las salidas del modelo fueron calculados utilizando los métodos de simulación Monte Carlo y el método probabilístico de estimación puntual de Harr. El análisis de la propagación de la incertidumbre paramétrica en simulaciones de caudales con HSPF utilizando 12 parámetros fue realizada con 5000 muestras aleatorias de Monte Carlo y 24 puntos seleccionados de Harr para cada parámetro evaluado. La comparación mostró que el método de Harr podría ser un indicador inicial apropiado de la propagación de la incertidumbre paramétrica en simulaciones de caudales, particularmente en modelos hidrológicos con varios parámetros.

Application of the Watershed Sustainability Index to the Elqui river basin, North-Central Chile

The Watershed Sustainability Index WSI, developed as an integrated method to assess the sustainability of basin management, and particularly water resource management, was applied in the Elqui River Basin over a period offive years (2001-2005). The Elqui watershed is located in a semiarid region of Chile, and it has been incorporated into the River Basin Network of the UNESCO HELP Program. The result was an overall WSI score of 0.61 (within a possible range of 0 to 1), rating the basin sustainability as "intermediate". The main watershed strengths were related to the Environment and Policies indicators. On the other hand, the weakness observed in the watershed was related to the Hydrology indicator, mainly due to water scarcity issues. The bottlenecks and limitations identified in this study represent a window of opportunity to improve the current situation in the basin, and calls for more efficient coordination between the different institutions involved in natural resource management. The application of the WSI in the Elqui basin demonstrated the practicality of the method, both as an analytic instrument, and as a useful management tool for water authorities, water users and stakeholders. An important limitation encountered in this study, however, was a general lack of up to date local information. This needs to be addressed in applying the method for mid- to long-term planning and management strategies, both in the Elqui basin and elsewhere.

El índice WSI, desarrollado para estimar la sustentabilidad de una cuenca en forma integrada con énfasis en la gestión de recursos hídricos, fue determinado en la Cuenca del Río Elqui considerando un período de 5 años (2001-2005). La cuenca del Río Elqui se ubica en una región semiárida de Chile, y ha sido incorporada a la red de cuencas hidrográficas del programa HELP de la UNESCO. El resultado fue un valor global de 0.61 para el indicador WSI (en el rango de 0 a 1), calificando el nivel de sustentabilidad como "intermedio". Las mayores fortalezas de la cuenca se relacionaron con los indicadores de Ambiente y de Políticas. Por otro lado, las mayores debilidades observadas en la cuenca se relacionaron con el indicador de Hidrología, debido principalmente a la situación de escasez hídrica. La identificación de estas limitantes representan una oportunidad para mejorar la actual situación en la cuenca, lo que obliga a una coordinación más eficiente entre las diferentes instituciones involucradas en la gestión de los recursos naturales. La aplicación del WSI a la Cuenca de Elqui demostró su utilidad como instrumento analítico asi como herramienta de gestión para autoridades relacionadas con el agua, usuarios y grupos de interés. Sin embargo, la actualización de la información local es necesaria para la planificación a mediano y largo plazo y la formulación de estrategias de desarrollo para esta cuenca y otras.

Relationship of local water storage variations and superconducting gravimeter data at the Geodetic Observatory TIGO, Concepción, Chile

Los gravímetros superconductores SGs miden variaciones temporales del campo de gravedad de la Tierra con alta precisión, y han sido usados tradicionalmente en aplicaciones geodésicas. Recientes estudios han mostrado que el componente de disturbio de la señal en las series de tiempo del SG puede ser usado inversamente como un sensor hidrológico-sensible a cambios en las masas de agua a su alrededor. Los SGs proveen mediciones únicas de variaciones totales de almacenamientos de agua, suma de la variación en almacenamientos de nieve, suelo no saturado y agua subterránea, para escalas locales de varios cientos de metros de distancia. En este estudio se investigó la relación entre la hidrología local y la gravedad para el sensor SG ubicado en el Observatorio Geodésico Integrado Transportable TIGO en Concepción, Chile. Las series de tiempo del SG son comparadas con la respuesta gravimétrica calculada por un modelo geodésico usando mediciones de humedad del suelo hasta 2.6 m de profundidad y un Modelo de Elevación Digital para un radio de 2 km alrededor del SG. Los resultados muestran que la variación de humedad y la respuesta gravimétrica están relacionadas con la topografía y profundidad de análisis. La variación estacional de la gravedad es de hasta 12 μGal, indicando que la importancia de la variación de los almacenamientos de agua está en la profundidad de la zona no saturada y en las aguas subterráneas.

Superconducting gravimeters SGs measure temporal variations of the Earth's gravity field with high precision. SGs have traditionally been used in geodetic applications. Recent studies, however, have shown that the disturbing signal component in SG time series can inversely be used as a hydrological sensor. Being sensitive to water mass changes in their surroundings, SGs provide unique measurements of total water storage variations, sum of storage variations in the snow cover, the unsaturated soil, and the groundwater, at local scales of several hundreds of meters. In this study, the relationship between local hydrology and gravity for the SG located at the Geodetic Observatory TIGO in Concepción, is investigated. SG time series are compared to the gravimetric response calculated by a geodetic model using soil moisture measurements to a depth of 2.6 m and a Digital Elevation Model for an area of 2 km around the SG. The results show that variations in moisture and gravimetric response are related to the topography and depth of analysis. Seasonal gravity variations of up to 12 μGal give indication of important water storage variations, which are related to the depth of unsaturated zones and groundwater.

Integration of new technologies to groundwater management

Se muestran las características de la Plataforma Modular Integrada PMI, elaborada por uno de los autores para el manejo de los recursos hidráulicos subterráneos. Se vincula la adquisición automatizada de datos en tiempo real, el procesamiento sobre una plataforma SIG, el uso de modelos de simulación y las técnicas de optimización para la gestión óptima de acuíferos y operación automatizada de las obras de captación. Se presentan las características y experiencias de aplicación en la modelación de acuíferos cubanos con el software AQÜIMPE, basado en el método de elementos finitos y que utiliza el triángulo cuadrático como elemento de discretización, lo cual permite utilizar elementos volumétricos representativos en acuíferos cársticos, como medios porosos equivalentes. Se muestra el procedimiento utilizado en Cuba encaminado a evaluar los recursos hídricos subterráneos utilizando el modelo de simulación del acuífero. Del trabajo se concluye que la utilización de modelos de administración para definir políticas óptimas de explotación, una vez definidos los recursos de explotación con un modelo regional de flujo según horizontes de planeamiento, es necesario vincularlo a las obras de captación mediante refinamiento de mallas y factores que consideren los efectos locales dependientes del gasto específico. Como caso de estudio de implementación de la PMI y de las nuevas tecnologías que en ella se contemplan, se presentan los resultados de la aplicación en un acuífero costero que abastece a la ciudad de La Habana.

Characteristics of the Modular Integrated Platform PMI, compiled by one of the authors, are shown for the management of groundwater resources. The automated data acquisition in real-time processing on a GIS platform, the use of simulation models and optimization techniques for optimal management of aquifers and automated operation of the headworks are linked. The characteristics and experiences of applications in modeling with the software AQÜIMPE in Cuban aquifers, are presented. AQÜIMPE is based on the finite element method using quadratic triangle as discretization element, allowing representative volumetric elements used in karstic aquifers, such as porous equivalents media. The procedure used in Cuba aimed at evaluating groundwater resources using the simulation model of the aquifer, is described. From this study, it is concluded that the use of management models to define optimal operating policies, once operating resources are defined with a regional model offlow as planning horizons, must link it to the headworks through mesh refinements and factors considering local effects dependent on specific flow use. As a case study, the implementation of the PMI and new technologies contemplated therein, are the results of the application in a coastal aquifer which supplies the city of La Havana.