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66Ingeniera de Recursos Naturales y del Ambiente, - No. 5Facultad de Ingeniera EIDENAR

EVALUACIN HIDRO-ECOLGICA DE CAUDALES

AMBIENTALES: METODOLOGA IFIM

Juan Manuel Diez Hernndez, Ph.D.Ingeniero Forestal. Prof. Doctor. Grupo de Hidrulica eHidrologa, Universidad de Valladolid, Espaa.

E.T.S. Ingenieras Agrarias, Universidad de Valladolid. Av. Madrid 57. 34004

Palencia, Espaa. [email protected]

RESUMEN

La simulacin de los campos de velocidades y profundi-

dades en el dominio modelable de un flujo en ros esindispensable en cualquier estudio de caudales ambien-

tales que pretenda resultar confiable. Este trabajo iden-tifica la informacin hidrulica mnima para un estudio de

caudales utilizando la acreditada metodologa IFIM(Instream Flow Incremental Methodology). Se ha mo-

delado un conjunto amplio de 90 secciones transversa-

les representativas de tres tipos de hbitats bsicos (rpidos, tablas y remansos ) en tramos fluviales de

* Recibido : Noviembre 15 2006 * Aceptado : Enero 12 2007

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ABSTRACT

Hydraulic modeling is an essential component ofPHABSIM that greatly determines the cost of the study.

This paper evaluates the influence of velocity and depthsimulation techniques in the accuracy of the aquatichabitat index, focused to determine the necessary fielddata to achieve reliable and economic habitat-dischargerelationships. Habitat index has been simulated with four

generic sets of habitat suitability criteria in 90representative transects of three habitats types (riffles,runs and pools) in three basic river reaches (high,moderate and low-gradient), by using threemeasurements of Water Surface Level (WSL) and threecomplete sets of velocities. The sensibility analysis ofthe hydraulic and habitat modeling reveals a remarkableeffect o the Water Surface Level (WSL) error on thehabitat index, and confirm the robustness of PHABSIMon the number of velocity sets used for calibration. Thecombined action of these aspects makes feasible todevelop reliable IFIM physical habitat predictions withfield data that contains the measurements of three WSL

and one set of velocities.

KEYWORDS

Ecohydraulics, Instream Flow, IFIM, RHABSIM.

1. INTRODUCCIN

Desde hace algo ms de dos dcadas, los modelosclsicos de resistencia hidrulica en conducciones abier-

tas se usan progresivamente para simular las condicio-nes ecolgicas del hbitat acutico. Este nuevo mbito

denominado Ecohidrulica apareci en Estados Uni-dos para estipular las necesidades de hbitat fsico delos ecosistemas fluviales afectados por alteraciones enel rgimen natural de caudales. El enfoque ms utilizado

y aceptado cientficamente a nivel mundial para estafinalidad es la metodologa IFIM (Instream FlowIncremental Methodology), desarrollada por el ServicioEstadounidense de Pesca y Vida Silvestre (USWFS,Bovee y Milhous, 1978). El ncleo analtico de IFIM es el

potente modelo ecohidrulico PHABSIM (Physical

Habitat Simulation System), que evala el efecto demodificaciones de caudal en la disponibilidad de hbitatfsico acutico en un tramo fluvial y facilita la determina-cin defendible de Regmenes de Caudales Ambientales

(RCA).

La simulacin hidrulica es un componente bsico dePHABSIM, que proporciona las profundidades y veloci-

dades medias en cada punto de la malla estructuradarepresentativa del cauce (Figura 1).

Figura 1. Resultado de la simulacin hidrulica en una

seccin transversal, necesaria para un estudio IFIM de

caudales ambientales. Se han modelado los campos deprofundidades (NSL) y velocidades (Vel) con el software

RHABSIM 3.0, para el rango de caudales normales.

Estas predicciones se combinan adecuadamente conunos criterios de idoneidad del hbitat para los organis-

mos objetivo, con objeto de desarrollar las decisivasrelaciones funcionales entre el Caudal y un ndice de

Evaluacin Hidro-Ecolgica de Caudales Ambientales: Metodologa IFIM

tres rdenes de magnitud (alta, media y baja-pendiente).

Los resultados revelan que la modelacin del hbitatfluvial es sensible a los errores de simulacin de losNiveles de Superficie Libre (NSL), pero robusta respecto

al esquema predictivo de velocidades. Estos hechosdeterminan que puedan obtenerse unas relaciones fun-cionales hbitat-caudal defendibles para un estudio IFIM

de precisin estndar, con datos correspondientes atres NSL y una distribucin horizontal completa develocidades. El procedimiento conveniente para los es-tudios IFIM normales de caudales ambientales optimiza

el balance precisin-costo: consiste en modelar los NSLa partir de tres mediciones de campo y las velocidades

a partir de una nica distribucin de velocidades asocia-

da al caudal mayor medible con seguridad.

PALABRAS CLAVES

Ecohidrulica, Caudal Ambiental, IFIM, RHABSIM.

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Idoneidad del Hbitat fsico acutico (denominado Su-perficie Ponderada til - SPU). El enfoque clsicounidimensional (1D) simplifica la variabilidad morfolgica

de un tramo fluvial en varias secciones transversalesconsideradas como compuestas de varias subsecciones

rectangulares (celdas), cuya agregacin constituye unamalla de paralelogramos que abarca todo el dominio deflujo modelable (Figura 2).

Figura 2. Sistema de representacin del cauce utilizado en

la modelacin ecohidrulica PHABSIM-IFIM. La

discretizacin del dominio computacional se conforma

mediante una malla de elementos rectangulares.

La simulacin hidrulica convencional de PHABSIM(Bove et al., 1998; Waddle, 2001) aplica mtodos esta-dsticos simples y ecuaciones de flujo permanente, parapredecir de forma secuencial las profundidades y lasvelocidades medias en cada celda, dentro de un rango de

caudales delimitado.

Las profundidades simuladas para un determinado cau-

dal derivan del correspondiente NSL, deducido de lacurva de gasto de la seccin calculada mediante alguno

de los siguientes esquemas para un flujo permanente,que consideran la variacin inherente de la rugosidad con

el caudal en las corrientes naturales: 1) ecuacin de

Manning para un rgimen permanente y uniforme, aplica-da con una conductividad variable en un rea de flujoefectiva (modelo MANSQ); 2) mtodo del Paso Estndar

para un rgimen gradualmente variado en seccionescompuestas, con un patrn definido de variacin delcoeficiente de Manning con el caudal (modelo WSP); 3)ajuste de regresin lineal bilogartmica de mnimoscuadrados entre el NSL y el Caudal (modelo STGQ); o

4) entrada directa de predicciones externas (p.ej. HEC-

RAS).

Durante la simulacin de velocidades se concepta cada

seccin compuesta de mltiples celdas, en cada una de

las cuales se asume un flujo permanente y uniforme quese resuelve mediante la combinacin seleccionada detres tcnicas que emplean diferente nmero de distribu-

ciones de velocidades. La primera, denominada 3-velocity, es aplicable con tres o ms distribuciones, yajusta una regresin bilogartmica lineal entre la veloci-

dad media en una celda y el caudal total. El segundomtodo, 1-velocity, emplea una distribucin de veloci-

dades, presuponiendo un flujo unidimensional estrictoen cada celda, resoluble mediante una expresin con-

junta simplificada de las ecuaciones de Manning y decontinuidad, que deduce las rugosidades. En ausencia

de mediciones, el tercer mtodo no-velocity aplica entodas las celdas la misma expresin de 1-velocity, pero

con unas rugosidades prefijadas, para lograr un cumpli-miento de la ecuacin de continuidad.

2. METODOLOGA

Se ha estudiado un rango amplio de condicionesecohidrulicas frecuentes en ros de gravas, que inclu-

yen tres tipos bsicos de hbitat (rpido, tabla y reman-so) en tramos fluviales caractersticos de tres rdenes de

magnitud (alta, moderada y baja pendiente). Los datos

de campo proceden de estudios IFIM realizados en ros

californianos y han sido extrados del archivo de laconsultora Thomas R. Payne & Associates (Arcata-CA,EEUU).

El protocolo de medicin en campo sigui las directrices

descritas en el manual referencial de PHABSIM (Bovee,1997), incorporando unas pruebas suplementarias paracontrolar la calidad de la informacin recogida (Figura 3).

El aforamiento de cada seccin se efectu conforme alas directrices estndar (Rantz, 1982), estableciendo unmnimo de 20 celdas mojadas y no menos de 15verticales mojadas durante el caudal menor. En cada

seccin se han medido con molinetes PriceAA y pygmylas distribuciones horizontales de velocidades comple-tas ligadas a tres caudales observados, que abarcansuficientemente el rango de flujo analizable. La modelacin

ecohidrulica se ha desarrollado con el paqueteinformtico en espaol RHABSIM 3.0 Riverine HabitatSimulation Software Payne y Diez, 2005), que informatiza

IFIM de modo completo y prctico.

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Figura 3. Levantamiento hidrotopogrfico de una seccin

transversal representativa de un hbitat tipo tabla. Los

mltiples puntos de estacionamiento definen las celdas

en las que se concepta dividida la seccin para realizarla modelacin hidrulica.

Se han analizado las discrepancias entre las velocida-des observadas y las simuladas en cada celda, entrminos de errores absolutos y relativos, as como lasdesviaciones tpicas para cada caudal simulado. Agre-gando jerrquicamente estos errores en cuatro niveles(caudalceldaseccinhbitat) se han calculado losErrores Relativos Medios y los Errores Absolutos Me-dios, que cuantifican el desatino cometido en cadaambiente fluvial. Del anlisis comparativo de los estads-

ticos anteriores y la interpretacin de los ajustes deregresin que minimizan el error se identificaron losalgoritmos ms consistentes en cada hbitat.Un enfoque similar se ha seguido con los valores delhbitat (SPU) observados y simulados en cada seccintransversal.

3. RESULTADOS Y DISCUSIN

3.1. Modelacin Hidrulica

Los errores relativos de simulacin de los NSL han sidomenores del 1% y comparables a los resultados de losestudios previos. Los errores absolutos han variado de 1

mm a 4 mm, magnitud que expresa la inexactitudpredictiva de los NSL que se transfiere a la simulacin de

las velocidades. Estos resultados revelan que el error de

la modelacin de los NSL tiene una influencia limitada en

la prediccin de las distribuciones de profundidades y

velocidades, pero amplifica de manera notable los erro-res en la simulacin del hbitat (SPU). En consecuen-cia, los errores asociados a la modelacin de los NSL no

deberan minusvalorarse, puesto que ejercen un efectosignificativo en el ndice de hbitat. Por tanto, nuestros

resultados corroboran la recomendacin de utilizar almenos tres mediciones NSL-Q para obtener unos resul-tados confiables de calidad controlable (Diez Hernandez,

2003).Para evaluar las respuestas de las tcnicas desimulacin de velocidades, se han comparado las velo-

cidades observadas con las simuladas para los trescaudales referenciales, en cada una de las celdasseleccionadas aleatoriamente dentro de las seccionesrepresentativas de cada hbitat. La muestra ha consis-

tido en unas 120 velocidades observadas para cadaambiente, lo que supone un total aproximado de 1000valores. Para determinar en qu medida los tres algoritmos

de simulacin representan los campos de velocidadesreales, se han realizado ajustes de regresin simplesentre las mediciones y las predicciones, independiente-mente en cada unidad ecohidrulica. A modo de ejem-plo, se muestra en la Figura 4 lo sucedido en el tramo de

Baja Pendiente (BP), con las respuestas de los tresalgoritmos (columnas) en todos los hbitats (filas). Deestos resultados se deducen unas relaciones significa-tivas entre la velocidad medida en campo y la modelada.

Por otro lado, el valor del coeficiente de determinacin r2

expresa el porcentaje de la variabilidad de la velocidad

medida en un hbitat que se explica mediante cada uno

de los tres enfoques (p.ej. 96.4% en los rpidos con 3-

vel). Se observa que la representatividad de los modelosaumenta con el mayor esfuerzo de toma de datos.

3.2. Modelacin del Hbitat

La calidad de las estimaciones del hbitat acuticogeneradas con los tres modelos de velocidades secompara en la figura 5, donde se presentan los errores

relativos de la modelacin hidrulica normal (secuencialNSL y velocidades). Los valores ms bajos se consiguen

de modo consistente con 3-vel y disminuyen con elgradiente del tramo. No obstante, el austero 1-vel revelauna exactitud interesante, con discrepancias menoresdel 6% en el tramo de alta pendiente, del 5% en el demedia pendiente y del 3% en el de baja pendiente. Las

respuestas de la aproximacin simple no-vel son peo-res invariablemente.


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El anlisis de las respuestas de 3-vel en el intervalo de

extrapolacin superior ha constatado las inconsistencias

detectadas por Payne y Bremm (2003), originadas porregresiones anmalas en las celdas con slo dos velo-

cidades cuando ambas son muy diferentes, una positivay otra negativa, o ambas negativas.

En consecuencia, el procedimiento para simular elhbitat con mayor exactitud precisa al menos tresdistribuciones de velocidades (Figura 6): aplica 3-vel en

Figura 4. Relaciones entre las velocidades medias en una celda observadas y las modeladas con los tres modelos de

PHABSIM en un tramo de Baja Pendiente (BP). Respuestas al emplear tres velocidades (3-vel), una (1-vel) y ninguna

(no-vel) en cada uno de los tres hbitats testados (rpido, tabla y remanso).

el rango de interpolacin, 1-vel calibrado con el caudal

alto en el intervalo de extrapolacin superior, y 1-velcalibrado con el caudal bajo en el intervalo de extrapolacininferior. No obstante, pueden obtenerse unas relaciones

hbitat-caudal con un buen balance exactitud-economaa partir de dos distribuciones de velocidades, aplicando

el modelo 1-vel calibrado con el caudal alto para lainterpolacin y extrapolacin superior, y calibrado con elcaudal bajo para la extrapolacin inferior.

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Adicionalmente, se ha analizado un procedimiento eco-nmico que utiliza una distribucin de velocidades me-

dida durante el caudal alto, con la que se calibra elmodelo 1-vel y se aplica en todo el intervalo de simula-

cin.Las diferencias respecto al enfoque anterior que utiliza

tres distribuciones han sido normalmente menores del5% en todas las condiciones ecohidrulicas, lo cualdemuestra que la medicin de velocidades adicionales

aade muy poca exactitud.

Si se valora el incremento de coste que conlleva laobtencin de tres distribuciones de velocidades, lascurvas hbitat-caudal delineadas por ambos mtodosson tan parecidas que justifican un ahorro en las evalua-

ciones PHABSIM de precisin estndar. Este resultado

corrobora la sugerencia de Payne y Bremm (2003) para

muchos estudios IFIM, de destinar los recursos adicio-nales que conllevara el empleo de mltiples perfiles aotros aspectos ms trascendentes, como incluir mssecciones representativas y/u obtener unos criterios de

preferencia ms ajustados.

Por lo tanto, el procedimiento conveniente para losestudios IFIM normales de caudales ambientales optimiza

el balance entre la fiabilidad y la economa (Figura 7):consiste en utilizar un nico perfil de velocidades ligadoal caudal superior medible con seguridad, para calibrarel modelo 1-vel y aplicarlo en todo el rango de simula-

cin.


Figura 5. Error relativo promedio de simulacin del hbitat

generado con los modelos de velocidades en tres hbitats

bsicos (rpido, tabla y remanso) de tres tramos fluviales

(alta, moderada y baja-pendiente), empleando diferente

nmero de velocidades medidas.

Figura 6. Obtencin de las relaciones funcionales hbitat-

caudal de mxima precisin a partir de tres distribuciones

de velocidades. En el intervalo de interpolacin se aplica 3-

vel, y en los de extrapolacin 1-vel calibrado con el caudal

observado ms cercano.

Figura 7. Procedimiento de simulacin conveniente para los

estudios IFIM ordinarios de caudales ambientales. Utiliza la

tcnica 1-vel en todo el rango de simulacin, calibrada con

la distribucin de velocidades completa ligada al caudal

mayor medible con seguridad.

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4. CONCLUSIONES

La modelacin hidrulica es un componente fundamen-

tal del sistema PHABSIM, que condiciona notablementeel coste de un estudio. Los resultados revelan que lamodelacin del hbitat es sensible a la tcnica desimulacin hidrulica empleada, pero muy robusta res-

pecto a los errores de la simulacin de velocidades. La

accin conjunta de estos hechos determina que seaposible obtener unas relaciones funcionales hbitat-caudal defendibles para un estudio IFIM de caudalesambientales de precisin estndar, a partir de las medi-ciones de tres Niveles de Superficie Libre (NSL) y unperfil horizontal de velocidades completo.

Dentro del laberinto actual de tcnicas de simulacin

hidrulica aplicables en PHABSIM, con capacidadesdesiguales en funcin de la informacin de campodisponible y la configuracin de sus opciones, losmodelos hidrulicos en una dimensin producen resulta-

dos confiables para los estudios IFIM.

El procedimiento que se jusga ventajoso para los estu-

dios IFIM normales de caudales ambientales optimiza laprecisin y el coste de la simulacin: consiste enmodelar los NSL a partir de tres observaciones, y lasvelocidades medias mediante el modelo 1-vel calibra-do con el perfil horizontal de velocidades correspondien-

te al mayor caudal medible con seguridad.

6. REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

Bovee, K.D. (1997). Data collection procedures for thephysical habitat simulation system. U.S.G.S,Biological Resources Division, Mid-continentEcological Science Center. Fort Collins, Colorado.

Bovee, K.D. y Milhous, R.T. (1978). Hydraulic simulation

in instream flow studies. Instream Flow InformationPaper No. 5. U.S. Fish and Wildlife Service, Fws,Obs-

78/33. Fort Collins (CO-EEUU).

Bovee, K.D., Lamb, B.L., Bartholow, J.M., Stalnaker,C.B., Taylor, J. y Heriksen, J. (1998). Stream habitat

analysis using the IFIM Methodology. USGS/BRD/ITR-1998-0004, U.S.G.S.

Diez Hernandez, J. M. (2003). Anlisis Comparativo de

los modelos hidrulicos de Phabsim, con propuesta

de nuevos mtodos hidrulicos 1D. Tesis Doctoral.Univ. de Valladolid, Valladolid, Espaa.

Payne, T.R. y Bremn, D.J. (2003). The influence ofmultiple velocity calibration sets on the Phabsim Mhabitat index. Proc. of International IFIM usersworkshop (CD), 1-5/6/03, Fort Collins, Colorado.

Payne, T.R. y Diez Hernandez, J.M. (2005). Actualiza-cin del Modelo Rhabsim 3.0 para estimar caudales

ecolgicos. Eidenar, Vol.111, 1(3):12-17.Rantz, S. E. (1982). Measurement and computation of

streamflow: Volume 1: Measurement of stage anddischarge. USGS Water Supply Paper 2175.

Waddle, E. T. (Ed). (2001). Phabsim for Windows:

Users Manual. USGS, Fort Collins, Colorado.

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