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UNIVERSIDAD

NACIONAL DE COLOMBIAS E D E B O G O T Á

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AGRÍCOLALABORATORIO DE ENSAYOS HIDRÁULICOS

ESTUDIOS E INVESTIGACIONES DE LAS OBRAS DE RESTAURACIÓN AMBIENTAL Y DE NAVEGACIÓN DEL

CANAL DEL DIQUE

Aspectos climáticos e hidrológicos de la ecorregión del Canal del Dique

Informe CM - CD - 4

Bogotá D.C., Enero de 2007

ESTUDIOS E INVESTIGACIONES DE LAS OBRAS DE RESTAURACIÓN AMBIENTAL Y DE NAVEGACIÓN DEL CANAL DEL DIQUE

ASPECTOS CLIMÁTICOS E HIDROLÓGICOS DE LA ECORREGIÓN DEL CANAL DEL DIQUE INFORME CM - CD - 4

CONVENIO INTERADMINISTRATIVO LEHUN-CM-I 037/2005 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERÍA LABORATORIO DE ENSAYOS HIDRÁULICOS

EQUIPO DE TRABAJO

Profesores Universidad Nacional Carlos Eduardo Cubillos P. Director Silverio Farías Mendoza Coordinador del proyecto Leonel Vega Estudio y modelación Ambiental Jaime Iván Ordóñez Modelación Física, hidráulica y sedimentológicaGabriel Pinilla Limnología Luís Alejandro Camacho Modelación Matemática y de Calidad de Agua Erasmo Rodríguez Modelación Hidrológica Guillermo Ángel Geotecnia Manuel Moreno Geología y Geomorfología César Rodríguez Hidrogeología Rafael O. Ortiz Mosquera Comité asesor del convenio Francisco Gutiérrez Comité asesor del convenio

Asesores Externos Antonio Franco Espinel Especialista en Estructuras Claudia Mayorga Estudios Económicos Raquel Duque Asesor de Calidad

Personal LEH José Urián Ingeniero de Proyecto Andrés Vargas Ingeniero de Proyecto Enif Medina Ingeniera de Proyecto Diana Cortés Ingeniera de Proyecto Lizeth Granados Ingeniera de Proyecto Juliana Duarte Coy Bióloga Auxiliar Mily Rocío González Aldana Ingeniera de Sistemas Alejandro Logueira Ingeniero Auxiliar Gabriela Forero Ingeniera Auxiliar Andrés Zuluaga Ingeniero Auxiliar Juliana Tacha Ingeniera Auxiliar Angélica Rodríguez Ingeniera Auxiliar Claudia Amaya Ingeniera Auxiliar Henry Rodríguez Administrador Lucas Bernal Peñuela Inspector de Exploración de suelos Leonor Martínez R. Dibujante Ma. De los Ángeles Rivera P. Secretaria Yajaira Ortiz Auxiliar Administrativo





LISTA DE INFORMES

CM - CD - 1: Informe Principal CM - CD - 2: Estudio de sedimentos en el Canal del Dique y su efecto en la Bahía de Cartagena CM - CD - 3: Modelación física del Río Magdalena en la bifurcación del Canal de Dique CM - CD - 4: Aspectos climáticos e hidrológicos de la ecorregión del Canal del Dique CM - CD - 5: Recopilación y síntesis de la información geológica y geomorfológico de la ecorregión del Canal de Dique CM - CD - 6: Estado limnológico de la ecorregión del Canal de Dique CM - CD - 7: Modelación Matemática, Hidráulica y de Calidad del Agua del Canal del Dique CM - CD - 8: Evaluación ambiental de la ecorregión del Canal del Dique CM - CD - 9: Evaluación de la Hidrogeología del bajo Canal del Dique CM - CD - 10: Exclusor de Sedimentos: Predimensionamiento de Obras CM - CD - 11: Exploración Geofísica del sector de Calamar





CONTENIDO

Pág. LISTA DE ANEXOS ............................................................................................................. 5 LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................ 6 LISTA DE TABLAS .............................................................................................................. 8 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 9 1. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS GENERALES DE LA ECORREGIÓN DEL CANAL DEL DIQUE........................................................................................................................ 10 2. ASPECTOS CLIMATOLÓGICOS GENERALES DE LA ECORREGIÓN DEL CANAL DEL DIQUE........................................................................................................................ 14 3. ASPECTOS DE HIDROMETRÍA (NIVELES Y CAUDALES EN ESTACIONES HIDROMÉTRICAS)............................................................................................................ 18 4. MODELO ACOPLADO HIDRÁULICA –HIDROLOGÍA ............................................... 29 5. MODELACIÓN HIDROLÓGICA DE LAS CUENCAS APORTANTES A LOS PRINCIPALES CUERPOS CENAGOSOS ........................................................................ 32 6. CONCLUSIONES ....................................................................................................... 41 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................. 43





LISTA DE ANEXOS

ANEXO A: ANÁLISIS Y MODELACIÓN CLIMATOLÓGICA E HIDROLÓGICA DE LA CUENCA DEL CANAL DEL DIQUE ANEXO B: ARCHIVOS DE PROCESAMIENTO DE INFORMACIÓN





LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1-1: Modelo de Elevación Digital de la cuenca del Canal del Dique....................... 11 Figura 1-2. Usos del suelo en la cuenca del Canal del Dique. Fuente: Universidad del

Norte (2003) ...................................................................................................... 12 Figura 1-3. Tipos de suelo en la cuenca del Canal del Dique............................................ 13 Figura 2-1. Climodiagrama para la cuenca del Canal del Dique mostrando el régimen de

precipitación y temperaturas promedio mensuales multianuales...................... 15 Figura 2-2. Precipitación y Evapotranspiración potencial media multianual para la cuenca

del Canal del Dique ........................................................................................... 16 Figura 3-1. Localización estaciones hidrométricas. Fuente: Universidad del Norte (2003).

.......................................................................................................................... 18 Figura 3-2: Curvas de duración de caudales medios diarios estaciones hidrométricas en el

Canal del Dique................................................................................................. 19 Figura 3-3. Niveles y caudales promedio mensuales multianuales en las estaciones

Calamar e Incora para el período 1984-2000 ................................................... 21 Figura 3-4. Comparación curvas de calibración estación Incora para el período previo a la

última rectificación: 1972-1983 y para el período posterior a este: 1984-2000. 23 Figura 3-5. Comparación curvas de duración de niveles medios diarios estación Incora

para el período previo a la última rectificación: 1975-1983 y para el período posterior a este: 1984-2000 .............................................................................. 23

Figura 3-6: Comparación curvas de duración de caudales medios diarios estación Incora para el período previo a la última rectificación: 1975-1983 y para el período posterior a este: 1984-2000. ............................................................................. 24

Figura 3-7. Histograma de caudales medios anuales estación Incora .............................. 25 Figura 3-8: Diferencias de caudales entre estaciones Gambote e Incora para los años

húmedo (1988), promedio (1990), y seco (1991).............................................. 27 Figura 3-9: Series de caudales medios diarios en las cuatro estaciones hidrométricas

analizadas para el período de simulación 1988-1991....................................... 27 Figura 3-10: Curva de excedencias de caudales medios diarios estación Incora ............. 28 Figura 4-1: Diagrama esquemático de balance hídrico a nivel diario en cada cuerpo

cenagoso........................................................................................................... 30 Figura 4-2. Series diarias de precipitación y evapotranspiración potencial para el espejo

de agua de la Ciénaga de María La Baja para el período de simulación 1988-1991. ................................................................................................................. 31

Figura 5-1: Localización de la cuenca del Arroyo Corral ................................................... 33 Figura 5-2. Mapas de suelos y cobertura vegetal en la cuenca del Arroyo Corral. ........... 34





Figura 5-3: Series de precipitación y caudales diariosen la cuenca del Arroyo Corral para el año 1989........................................................................................................ 35

Figura 5-4: Resultados de la modelación con HEC-HMS para la cuenca del Arroyo Corral utilizando los modelos de 1 y 5 tanques ........................................................... 38

Figura 5-5: Esquema de modelación en HEC-HMS para la cuenca de la Ciénaga de María La Baja .............................................................................................................. 39

Figura 5-6: Resultados de la modelación continua con HEC-HMS para la cuenca de la Ciénaga de María La Baja utilizando el modelo simplificado de un solo tanque.......................................................................................................................... 40





LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1-1. Áreas de espejo de agua y cuenca aportante a los principales complejos cenagosos ......................................................................................................... 12

Tabla 1-2: Unidades taxonómicas de los suelos................................................................ 13 Tabla 3-1: Resumen características de niveles y caudales medios diarios en estaciones

hidrométricas analizadas. Período 1984-2000.................................................. 19 Tabla 3-2. Resumen características de caudales medios para período de simulación 1988-

1991 .................................................................................................................. 20 Tabla 3-3 : Resumen - curvas de calibración estaciones Canal del Dique. Caudales Q en

m3/s. Niveles h en msnm................................................................................... 22 Tabla 3-4: Percentiles para la curva de duración de caudales medios diarios en la

Estación Incora.................................................................................................. 25 Tabla 5-1: Valores calibrados de los parámetros del modelo HEC-HMS para las

alternativas de modelo con 1 y 5 tanques......................................................... 36 Tabla 5-2: Resumen de parámetros Modelo continuo HEC-HMS de pérdidas de la

precipitación utilizando 1 y 5 tanques ............................................................... 36 Tabla 5-3: Criterios de bondad de ajuste entre los caudales observados y los caudales

simulados por el modelo HEC-HMS para los modelos de uno y cinco tanques37 Tabla 5-4: Resultados modelación hidrológica de cuenca aferente a cada cuerpo

cenagoso para el período de simulación 1988-1991. ....................................... 40





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INTRODUCCIÓN

Con el fin de brindar un marco de referencia para el adecuado entendimiento del funcionamiento y la dinámica del ecosistema de la región del Canal del Dique, en cuanto a disponibilidad del recurso hídrico se refiere, se ha preparado el presente documento, el cual sintetiza las características hidroclimatológicas generales del área de estudio. Información complementaria con respecto al componente climático e hidrológico se presenta en el Informe Anexo del informe CM - CD - 4: “Análisis y Modelación Climatológica e Hidrológica de la Cuenca del Canal del Dique”.

Debe hacerse especial énfasis en que la información aquí presentada proviene de los análisis complementarios que en el tema de hidrología y climatología ha desarrollado la Universidad Nacional de Colombia a través del Convenio Interadministrativo No. 037/2005 suscrito con CORMAGDALENA, utilizando como base información del IDEAM y sustentados en los estudios que en cuanto al tema hidrometeorológico han adelantado diversas instituciones y autores (Universidad del Norte, 1999, 2000, 2003; CIOH, 1997; Estudios y Asesorías, 2000; Restrepo y Kjerfve, 2000; Restrepo et al., 2006, Hidroestudios – Geoingeniería, 2002, entre otros).

Es importante resaltar que mediante diversas técnicas estadísticas se ha evaluado la validez, calidad y homogeneidad de la información hidrometeorológica utilizada en los análisis aquí expuesto ( ver Anexo del informe CM - CD - 4: “Análisis y Modelación Climatológica e Hidrológica de la Cuenca del Canal del Dique”), lo cual brinda mayor confiabilidad a los resultados que se presentan y discuten en este informe y en el Anexo del informe CM - CD - 4: “Análisis y Modelación Climatológica e Hidrológica de la Cuenca del Canal del Dique”.





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1. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS GENERALES DE LA ECORREGIÓN DEL CANAL DEL DIQUE

Se describen en este numeral las características de la ecorregión del Canal del Dique referentes a topografía, suelos y cobertura vegetal. A pesar de que la zona de estudio puede considerarse como una región artificialmente creada con la construcción del Canal del Dique, ocurrida en el siglo XVI, también es cierto que existe una divisoria de aguas que permite delimitar el drenaje hacia el Canal del Dique, y en este sentido podría hablarse de la cuenca del Canal del Dique.

El área drenada por el Canal del Dique está caracterizada por zonas relativamente bajas, cenagosas e inundables que cortan las Serranías de San Jacinto y Luruaco, al sur de la cuenca, con alturas de hasta 800 m sobre el nivel del mar, y dos zonas montañosas ubicadas a ambos lados de la región y que corresponden a los cinturones de San Jacinto y Sinú, como se muestra en la Figura 1-1 De acuerdo con cálculos a escala regional, realizados a partir del Modelo Digital de Terreno de 1 km de resolución (NASA, 1996), utilizando el modelo HidroSIG v 3.1.1 (Universidad Nacional – Sede Medellín, 2005), la altitud mediana de la región es de 30 m.s.n.m., con una pendiente media del 1% y una densidad de drenaje de 0.30 km/km2, que es indicativa de una cuenca pobremente drenada, y que pone de manifiesto que el manejo de la cuenca debe ser cuidadoso, a fin de evitar el deterioro de los cauces existentes y el desequilibrio del sistema.





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Figura 1-1: Modelo de Elevación Digital de la cuenca del Canal del Dique

Obtenido a partir de las curvas de nivel de la Universidad del Norte (2003) complementadas con la verificación de la delimitación para la cuenca de la Ciénaga de María la Baja

La cuenca del Canal del Dique tiene un área total de 4,400 km2, valor que difiere ligeramente del reportado por la Universidad del Norte (2003) (correspondiente a 4,133km2) y por Viloria (2005) (igual a 4,550 km2). La mayor diferencia entre la delimitación de la cuenca efectuada por la Universidad Nacional y la realizada por la Universidad del Norte se encuentra hacia el sur de la cuenca, en la subcuenca de la Ciénaga de María La Baja, en donde la delimitación manual a partir de cartografía escala 1:25,000 y la delimitación automática realizada a partir del modelo digital de terreno de resolución 30 m (NASA, 2000) procesado por la Universidad Nacional en las instalaciones del IGAC, determinaron consistentemente un ligero aumento del área de drenaje para esta subcuenca, y por ende para la cuenca del Canal del Dique, en comparación con los resultados de la Universidad del Norte.

Ocho cuerpos cenagosos mayores conforman las zonas inundables de la cuenca, los cuales en sentido desde aguas arriba hacia aguas abajo son: Ciénaga del Jobo, Embalse del Guájaro, Complejo Cenagoso Tupe-Capote-Zarzal, Ciénaga de la Luisa, Ciénaga de Aguas Claras, Ciénaga de Matuya, Ciénaga de María La Baja y Ciénaga de Juan Gómez, cuyas áreas de espejo de agua y cuencas aportantes contribuyen aproximadamente con el 70% del área total de la cuenca, tal como se indica en la Tabla 1-1.

Las características de cobertura vegetal y uso del suelo, cuya información proviene enteramente de los estudios realizados por la Universidad del Norte, 2003 (ver Figura 1-2) indican que la cobertura predominante es la vegetación de sabana tropical (pastos), representando aproximadamente el 46 % del área total. Las áreas en cultivos transitorios y pastos representan el 10 % del área, y las áreas de los cuerpos de agua el 16% aproximadamente del área total. Los porcentajes de otras coberturas vegetales se indican en la Figura 1-2.





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Tabla 1-1. Áreas de espejo de agua y cuenca aportante a los principales complejos cenagosos

Ciénaga Área espejo de agua (km2) Área cuenca aportante (km2) Jobo 10.4 151.6 Guájaro 99.9 792.7. Tupe-Capote-Zarzal 32.2 260.4 Luisa 2.9 133.0 Aguas Claras 7.9 86.4 Matuya 7.0 269.2 María La Baja 44.5 946.6 Juan Gómez 8.8 80.1

TOTAL 213.6 2720 Figura 1-2. Usos del suelo en la cuenca del Canal del Dique. Fuente: Universidad del Norte (2003)

Fuente: Universidad del Norte, 2003

En cuanto a las características de los suelos (ver Figura 1-3), predominan los suelos formados por procesos de meteorización, erosión e intemperismo, y por la acción del río Magdalena tanto en su movimiento lateral como en su aporte constante de sedimentos. Los suelos con mayor extensión en la cuenca son del tipo colinas, seguidos por los suelos de piedemonte y serranías, con texturas de fina a media, y permeabilidad de baja a media. En las llanuras aluviales los suelos de la planicie están constituidos por conglomerados de arenas limoarcillosas, con permeabilidad limitada. En la parte norte de la cuenca en cercanías de las ciénagas del Guájaro y Capote existen formaciones de gravas y arenas con niveles locales de arcillas (Hidroestudios-Geoingeniería, 2002)





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Figura 1-3. Tipos de suelo en la cuenca del Canal del Dique

Fuente: Universidad del Norte (2003). Ver leyenda Tabla 1-2

Tabla 1-2: Unidades taxonómicas de los suelos

CA Asociación Caimital PC Asociación paraíso SA Asociación Soledad SD Asociación Santo Tomás AC Asociación Juan de Acosta CH Consociación Chorrillos

RWCAY Asociación Entic Haplustolls

RWD Consociación Typic Tropaquepts

RWHAZ Asociación Tropic Fluvanquents

SU

ELO

S D

E P

LAN

ICIE

ALU

VIA

L

RWJ Asociación Lithic Haplustales BD Asociación Bejucal TG Asociación Tótem PB Consociación Palmar

SU

ELO

S D

E

PLA

NIC

IE

LAC

US

TRE

PE Consociación Viche PLAN EÓLICA MA Consociación Malambo

GA Consociación Galapa BA Consociación Baranoa AA Consociación Aguas Vivas GD Asociación Guájaro TB Asociación Tameme TC Asociación Tabla MO Asociación Morroa DL Asociación El Dorado S

UE

LOS

DE

CO

LIN

AS

LWA Asociación Lithic Haplustolls

Tabla 1-2: Unidades taxonómicas de los suelos

LWB Asociación Vertic Ustropepts LWH Asociación Typic Ustropepts LWD Asociación Typic Haplustales LWF Consociación Typic Ustorthents LWL Consociación Typic Ustropepts

LWJ Consociación Chromic Calciusterts

LWK Consociación Fluventic Dystropepts

LWLD3 Asociación Misceláneo erosionado

LWOA Consociación Typic Haplusterts PWA Consociación Typic Argiustolls PWD Consociación Sodic Haplusterts PWG Consociación Vertic Ustropepts

SUELOS DE PIEDEMONTE

PWF Asociación Ustoxic Dystopepts AR Consociación Arenal SL Asociación Santa Lucía

SUELOS DE PLANICIE MARINA ET Asociación Estanzuela

BR Consociación Las Brisas SUELOS DE SERRANÍAS MWA Asociación Typic Ustorthents

Fuente Universidad del Norte (2003) Leyenda asociada a la Figura 1-3.





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2. ASPECTOS CLIMATOLÓGICOS GENERALES DE LA ECORREGIÓN DEL CANAL DEL DIQUE

El régimen de precipitación en la cuenca del Canal del Dique está influenciado temporalmente por el desplazamiento de la Zona de Convergencia Intertropical (ZCIT), causado por el ciclo anual de temperaturas superficiales por efecto de insolación, el cual le imprime un carácter monomodal a la ocurrencia de la precipitación sobre la zona. De esta forma, la precipitación media multianual sobre la ecorregión del Canal del Dique, del orden de 1290 mm, ocurre fundamentalmente de mediados de abril a principios de noviembre, meses durante los cuales cae aproximadamente el 90% de la precipitación anual. Durante los meses de junio y julio existe un leve descenso de las precipitaciones en la zona, período que se conoce localmente como el veranillo de San Juan (ver Figura 2-1). Fenómenos macroclimáticos como el Fenómeno del Niño y de la Niña impactan levemente la climatología de la zona de estudio, produciendo ligeras reducciones en la precipitación y aumentos en la temperatura ambiental durante eventos Niño, y condiciones contrarias para eventos Niña.

Espacialmente la distribución de la precipitación está influenciada por la cercanía de la zona de estudio al Océano Atlántico, en donde masas de aire húmedo son arrastradas por las brisas mar-tierra, y transportadas hacia accidentes topográficos importantes en el sur del área de estudio como la Serranía de San Jacinto, que ocasionan la ocurrencia de mayores precipitaciones, comparadas con las que se presentan en el área costera.

Las temperaturas medias anuales son altas y oscilan entre 28 y 30° C, con variaciones mensuales de ± 3° C, tal como se muestra en la Figura 2-1, y rango diurno del orden de 10° C.

La humedad relativa fluctúa en el rango 75 - 85% con valores un poco más elevados en el interior de la ecorregión que en la costa. Debido a la relativa baja cobertura nubosa durante el día, la insolación es bastante alta con valores promedio del orden de 7 horas, resultando en elevadas tasas de evaporación sobre la zona de estudio.

En las regiones de la cuenca del Canal del Dique cercanas al litoral, los vientos son fuertes y disminuyen internándose hacia el continente. Durante la época lluviosa (abril - noviembre) predominan vientos alisios suaves del este y sureste influenciados por la localización más septentrional de la ZCIT. En la temporada seca (diciembre - marzo) son característicos los vientos alisios fuertes del noreste, influenciados por el sistema de alta presión localizado en el Océano Atlántico en cercanías de las Islas Azores.

A partir de la descripción de las principales variables meteorológicas para la cuenca del Canal del Dique, presentada en los párrafos anteriores, es posible clasificar el clima de la ecorregión como un clima cálido semiárido, otros autores lo denominan tropical subhúmedo - seco (García et al., 1996), influenciado fundamentalmente por moderadas precipitaciones y elevadas temperaturas.





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Figura 2-1. Climodiagrama para la cuenca del Canal del Dique mostrando el régimen de precipitación y temperaturas promedio mensuales multianuales

Precipitación y temperatura promedio mensual multianual

020406080

100120140160180200

Ene Feb Mar AbrMay Ju

n Jul

Ago Sep Oct NovDic

MES

Pre

cipi

taci

ón (m

m)

26.8

27.0

27.2

27.4

27.6

27.8

28.0

28.2

Tem

pera

tura

(C)

PT

En la Figura 2-2 se presenta el mapa de isoyetas promedio multianuales, deducido a partir de los datos de 17 estaciones meteorológicas, compilados por la Universidad del Norte (2003), y 12 estaciones adicionales cuya información fue recopilada en este estudio, para el período 1984 - 2000. Como puede apreciarse en el panel izquierdo de la Figura 2-2, la precipitación aumenta desde el litoral hacia el interior con valores de 1,000 mm en la costa hasta valores de 1,800 mm en cercanías de la Serranía de San Jacinto y la Loma de Candillal, al sur de la ecorregión.

El panel derecho de la Figura 2-2 muestra las líneas de igual evapotranspiración potencial, estimadas a partir de los datos de evaporación de tanque evaporímetro clase A de cinco estaciones meteorológicas ubicadas en la zona, complementados con análisis de evaporación potencial basados en la relación temperatura-altura (tasa ambiental), y métodos de estimación indirecta de la evapotranspiración potencial basados en temperatura (métodos de Turc modificado, Blanney y Criddle, y Thornthwaite). Los resultados indican que la evapotranspiración potencial anual es del orden de 1,220 mm. El análisis combinado de los paneles en la Figura 2-2 indica que en términos anuales la cuenca del Canal del Dique corresponde a una cuenca esencialmente deficitaria y que los valores del índice de déficit hidrológico P-ET (precipitación menos evapotranspiración) pronostican, para las climatologías de la zona, ocurrencia de escorrentía directa principalmente en la zona central y sur de la cuenca, en donde las precipitaciones exceden el valor de la evapotranspiración potencial. Debe mencionarse que este es el comportamiento de la escorrentía a escala anual. Sin embargo, dentro de los estudios desarrollados por la Universidad Nacional, se ha considerado muy importante analizar el comportamiento de la escorrentía a niveles de agregación temporal lo más compatibles posible con el tiempo de viaje de una onda a lo largo del Canal del Dique, y de esta forma





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conceptualizar el balance hídrico a nivel diario para los principales cuerpos cenagosos, teniendo en cuenta la evaporación y precipitación en el espejo de agua, y los aportes de la cuenca aferente a cada ciénaga, tal como se describe en el capítulo 3 de este informe.

Figura 2-2. Precipitación y Evapotranspiración potencial media multianual para la cuenca del Canal del Dique

PRECIPITACIÓN EVAPOTRANS. POTENCIAL

En términos climatológicos no menos importante resulta el análisis de los efectos del cambio climático global sobre los recursos hídricos de la cuenca del Canal del Dique y sobre los niveles del mar en las Bahías de Cartagena y Barbacoas. Aunque no se han desarrollado estudios detallados de ascenso del nivel del mar en la Bahía de Cartagena, y aunque también a nivel mundial existe aún gran controversia en cuanto a la tasa de aumento del nivel del océano, varios autores (Miller y Douglas, 2006; Roland W. et al., 2005) han mostrado que durante el siglo XX el nivel del mar ha podido haber aumentado a una tasa entre 0.5 y 0.15 cm/año. Este proceso sostenido de ascenso del nivel del mar, juega un importante papel en la discusión acerca de la aparente colmatación de la Bahía de Cartagena por efecto de la sedimentación del material transportado por el Canal del Dique, tal como se discute en el informe CM - CD - 2.

Con respecto al impacto del calentamiento global sobre los recursos hídricos de la ecorregión del Canal del Dique, su estudio requeriría la utilización de Modelos de Circulación Atmosférica y la aplicación de diferentes escenarios de cambio climático, aceptados por el Panel Internacional sobre Cambio Climático (IPCC, 2000). Claramente este tipo de análisis sobrepasa los alcances del estudio encargado a la Universidad Nacional. Al respecto, y en términos generales podría sugerirse que el cambio climático posiblemente traerá aumentos en las temperaturas ambientales de la zona del Canal del Dique, lo que implicará mayores tasas de evaporación, y a largo plazo, una reducción del índice P/ET, actualmente cercano a 1.0, lo que podría ocasionar problemas de desertificación de algunas tierras en la zona de estudio. En este sentido Poveda (2004) ha mostrado, a partir del análisis de series de temperatura de la ciudad de Cartagena para el período 1955-1995, tendencias sostenidas de aumento de las temperaturas en razón de





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0.04°C/año. Estos valores son consistentes con las modelaciones que para Suramérica se han realizado a nivel de mesoescala, para un escenario de cambio climático medio (B2-med) y que sugieren un incremento en la temperatura de 1.6°C para el año 2050 (WWF, 2000), para la zona de estudio. Este último informe sugiere para el mismo escenario (B2-med), reducciones en la precipitación en la zona de estudio del orden del 3% con respecto a las estimadas a partir de los registros del período 1960-1990.





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3. ASPECTOS DE HIDROMETRÍA (NIVELES Y CAUDALES EN ESTACIONES HIDROMÉTRICAS)

A partir de los registros de niveles medios diarios en la estación Calamar (sobre el río Magdalena) y cuatro estaciones hidrométricas en el Canal del Dique (Incora, Gambote, Santa Helena I y Santa Helena II, ver Figura 3-1), y utilizando el registro de aforos líquidos en cada estación, suministrado por el IDEAM, se han obtenido las curvas de calibración en cada una de las cinco estaciones hidrométricas mencionadas, y a partir de estas se han determinado las series de caudales medios diarios para el período 1984-2000. Este período ha sido considerado como el período fundamental de análisis del presente estudio. La razón de escogencia de este período se debe a que este se inicia después de la última rectificación y ensanchamiento de la sección del Canal del Dique, ocurrida en 1984, y adicionalmente debido a la disponibilidad de información hidrometeorológica suministrada por el IDEAM.

Figura 3-1. Localización estaciones hidrométricas. Fuente: Universidad del Norte (2003).

Los resultados de los análisis de niveles y caudales medios diarios para el período de análisis se sintetizan en la Tabla 3-1. El comportamiento de los caudales medios diarios en todas las estaciones hidrométricas investigadas se observa en las curvas de duración de la Figura 3-2.





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Tabla 3-1: Resumen características de niveles y caudales medios diarios en estaciones hidrométricas analizadas. Período 1984-2000

Estación Nivel

promedio (msnm)

Caudal promedio

(m3/s) % del Caudal en Calamar

% del Caudal en Incora

Calamar 5.28 7163 100 - Incora 4.92 540 7.5 100 Gambote 2.69 515 7.2 95.4 Santa Helena I 2.49 427 6.0 79.1 Santa Helena II 1.44 342 4.8 63.3

Figura 3-2: Curvas de duración de caudales medios diarios estaciones hidrométricas en el Canal del Dique

Los resultados presentados en la Tabla 3-1 y en la Figura 3-2 muestran la magnitud de los desbordes que ocurren entre estaciones hidrométricas vecinas. Para el caso del Alto y parte del Medio Canal del Dique, los resultados indican que la magnitud de los desbordes (estaciones Incora y Gambote) puede representar en promedio el 4% de los caudales en Incora. Fundamentalmente estos volúmenes de agua son almacenados en las ciénagas del Jobo y el complejo Tupe-Capote-Zarzal. Para la parte restante del medio Canal del Dique las pérdidas anuales (estaciones Gambote y Santa Helena I) pueden representar alrededor del 20% de los caudales en Incora; estos volúmenes de agua son almacenados fundamentalmente en las ciénagas de La Luisa, Aguas Claras y Matuya. La diferencia entre las curvas de duración de caudales en Santa Helena I y Santa Helena II representa aproximadamente un caudal de 100 m3/s que es indicativo de los caudales derivados por el Caño Correa y los desbordes hacia la Ciénaga La Honda. Aunque existen registros de





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niveles sobre el caño Correa en las estaciones hidrométricas Correa 1 y 2 (ver Figura 3-1), los cambios en la dirección del flujo en el Caño Correa, debidos a las descargas del caño María La Baja, impiden construir curvas de duración de caudales confiables para el caño Correa siguiendo la metodología comúnmente aceptada en la literatura. Para el caso de la estación hidrométrica K-107, los registros existentes se encuentran muy incompletos e impiden la construcción de una curva de duración de caudales confiable (ver Análisis de calidad, validez y consistencia de la información en el Anexo del informe CM - CD - 4: “Análisis y Modelación Climatológica e Hidrológica de la Cuenca del Canal del Dique”).

Para el caño Correa, los caños Lequerica y Matunilla, y el poblado de Pasacaballos los porcentajes de derivación de caudal fueron indirectamente estimados a partir de aforos concurrentes en las estaciones hidrométricas y estos sitios, y fundamentalmente con ayuda del modelo hidráulico-hidrológico acoplado, desarrollado como parte de los estudios adelantados por la Universidad Nacional. Los resultados de porcentajes promedio de derivación de caudales líquidos en estos sitios durante el período de simulación 1988-1991 se presentan en la Tabla 3-2.

Tabla 3-2. Resumen características de caudales medios para período de simulación 1988-1991 Sitio de interés Caudal promedio (m3/s) % del Caudal en Incora

Incora 508 100 Caño Correa 72 14 Caño Matunilla 105 21 Caño Lequerica 27 5 Pasacaballos 121 24

Los resultados mostrados en la Tabla 3-2 indican que a la Bahía de Cartagena llega el 24% del caudal derivado en Calamar (consistente con un valor de 25% reportado por Estudios y Asesorías, 2000). A la Bahía de Barbacoas, que recibe los aportes de los Caños Lequerica y Matunilla, ingresa en promedio el 26% de los caudales en Incora (versus el 40% estimado por Estudios y Asesorías, 2000). El caño Correa deriva el 14% de los caudales en Incora (versus el 22% reportado por Estudios y Asesorías, 2000). Las diferencias entre las estimaciones de los porcentajes de derivación por los caños realizadas por Estudios y Asesorías (2000) y las del presente estudio pueden ser debidas al diferente número de observaciones utilizadas en los cálculos, y fundamentalmente al empleo de los resultados del modelo matemático por parte de la Universidad Nacional, lo que los hace de alguna forma un poco más confiables.

La suma de los porcentajes en la última columna de la Tabla 3-2 solo llega al 64%, mostrando que entre Incora y Pasacaballos, y para el período 1988-1991, existen pérdidas de agua de aproximadamente el 36% de los caudales que entran al canal. Hasta antes del Caño Correa las pérdidas promedio fueron previamente estimadas en 24% del caudal de Incora, lo que implica que en el Bajo Canal del Dique existen desbordes de aproximadamente el 12% del caudal de Incora. Lo anterior pone en evidencia la importancia de los desbordes en el canal y la necesidad de analizar el sistema a escala multianual considerando de forma acoplada el sistema ciénagas - Canal del Dique.





21

En lo que respecta a la variación temporal de las variables hidrométricas, la Figura 3-3 muestra la variación mensual de niveles y caudales en las estaciones Calamar e Incora, incluyendo para cada mes una barra de error que representa una desviación estándar por encima y por debajo del valor promedio. Claramente se aprecia en la Figura 3-3 la condición de frontera del sistema del Canal del Dique establecida por los niveles en Calamar, y el hecho de tener unos niveles y consecuentemente caudales, que empiezan a incrementarse desde abril hasta noviembre, y una temporada de niveles bajos entre diciembre y marzo. Los valores de caudales promedio mensuales más bajos en la estación Calamar corresponden al mes de febrero, con un descarga promedio de 4600m3/s, que corresponden a 274 m3/s en Incora, y valores máximos promedio de 9923m3/s, correspondientes a 824 m3/s en Incora.

Figura 3-3. Niveles y caudales promedio mensuales multianuales en las estaciones Calamar e Incora para el período 1984-2000

NIVELES MEDIOS MENSUALESPERÍODO 1984-2000

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

MES

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

CALAMAR INCORA

NIV

EL C

ALA

MA

R (m

snm

)

NIV

EL IN

CO

RA

(msn

m)

CAUDALES MEDIOS MENSUALESPERÍODO 1984-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

MES

0

200

400

600

800

1000

1200

CALAMAR INCORA

CA

UD

AL

CA

LAM

AR

(m3/

s)

CA

UD

AL

INC

OR

A (m

3/s)





22

Un aspecto que en cuanto a niveles y caudales merece especial atención es el análisis del efecto de la profundización, ensanchamiento de la sección transversal y última rectificación del Canal del Dique ocurrida en 1984, sobre los niveles en el Canal del Dique y los correspondientes caudales derivados. Para analizar este efecto, a partir del registro de aforos de la estación Incora se han construido las curvas de calibración de esta estación para los períodos 1972-1983 y 1984-2000 (ver el Anexo del informe CM - CD - 4: “Análisis y Modelación Climatológica e Hidrológica de la Cuenca del Canal del Dique”), cuyas ecuaciones, junto con las de las otras estaciones hidrométricas analizadas, se presentan en la Tabla 3-3. Es importante anotar que para el caso de la estación Calamar en la Tabla 3-3 se presentan dos curvas de calibración, y esto obedece al hecho de que durante la temporada húmeda de 1988 ocurrió el rompimiento del brazo derecho de la isla La Loca ocasionando drásticos cambios en las características geométricas e hidráulicas de la sección de aforo, que solo pudieron conciliarse con el uso de una nueva curva de calibración. Mayor justificación al respecto se presenta en el informe CM - CD - 2.

Tabla 3-3 : Resumen - curvas de calibración estaciones Canal del Dique. Caudales Q en m3/s. Niveles h en msnm

Estación Ecuación de la curva de calibración R2 Cero de mira

(m.s.n.m) Calamar Hasta Dic 88

726.3)91.9(284.0 += hQ 0.92 -0.2

Calamar Vigencia desde Ene 89

695.3)295.12(168.0 += hQ 0.86 -0.2

Incora K7 Vigencia 72 -83

46.2)25.1(15.4 += hQ ; Para h < 3.95 m.s.n.m

09.2)(4.13 hQ = ; Para h ≥ 3.95 m.s.n.m 0.96 0.0

Incora K7 Vigencia 84 - 02

82.1)6.0(02.22 += hQ ; Para h < 6.2 m.s.n.m

55.2)5.1(03.4 += hQ ; Para h ≥ 6.2 m.s.n.m 0.94 0.0

Gambote

11.53 )6(1027.7 += − hxQ ; Para h < 2.38 m.s.n.m

15.1213 )5.16(1019.1 += − hxQ ; Para h ≥ 2.38 m.s.n.m

0.96 -3.97

Santa Helena I 56.1)(8.98 hQ = ; Para h < 2.7 m.s.n.m

15.4)5.4(13.0 += hQ ; Para h ≥ 2.7 m.s.n.m 0.82 -5.08

Santa Helena II 02.3)5.2(98.4 += hQ 0.84 -4.3

La comparación de las curvas de calibración de la estación Incora para los dos períodos investigados se muestra en la Figura 3-4 e indica que para un mismo nivel, los caudales promedio derivados por efecto del cambio de sección transversal (correspondientes aproximadamente a un nivel de 5 msnm) se incrementaron aproximadamente en 120m3/s.





23

Figura 3-4. Comparación curvas de calibración estación Incora para el período previo a la última rectificación: 1972-1983 y para el período posterior a este: 1984-2000

Figura 3-5. Comparación curvas de duración de niveles medios diarios estación Incora para el período previo a la última rectificación: 1975-1983 y para el período posterior a este: 1984-2000

COMPARACIÓN DE CURVAS DE DURACIÓN DE NIVELES MEDIOS DIARIOSESTACIÓN INCORA

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

% de t que N es igualado o excedido

Niv

el (m

.s.n

.m)

PERIODO 84 -00 PERIODO 75-83





24

Con respecto a los niveles en la estación Incora antes y después de la última intervención importante en el Canal del Dique, el análisis de las curvas de duración de niveles para ambos períodos, presentadas en la Figura 3-5, muestra, tal como era de esperarse, que en términos generales no existe cambio en los niveles en Incora. Sin embargo, para los niveles medios altos (7< h <5.5 msnm) extrañamente se obtiene un aumento de los niveles, de aproximadamente el 5% con respecto a los originales. Las causas más probables para este incremento están asociadas a problemas en los datos, no detectados por las pruebas estadísticas de análisis de consistencia de la información. También pueden estar asociadas al hecho de que para el período anterior a 1984 únicamente se cuenta con datos de niveles a partir de 1975 (8 años).

En relación con los caudales derivados, estos fueron obtenidos a partir de los registros de niveles y las dos curvas de calibración para el período previo a 1984 y el período posterior a este año. Los análisis de la curva de duración de caudales medios diarios, mostrados en la Figura 3-6, cuyos percentiles se resumen en la Tabla 3-4, indican un incremento promedio del 30% con respecto al caudal originalmente derivado.

Figura 3-6: Comparación curvas de duración de caudales medios diarios estación Incora para el período previo a la última rectificación: 1975-1983 y para el período posterior a este: 1984-2000.

COMPARACIÓN DE CURVAS DE DURACIÓN DE CAUDALES MEDIOS DIARIOS ESTACIÓN INCORA

0

200

400

600

800

1000

1200

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

% de t que Q es igualado o excedido

CA

UD

AL

(m3 /s

)

PERIODO 84 -00 PERIODO 75-83





25

Tabla 3-4: Percentiles para la curva de duración de caudales medios diarios en la Estación Incora

Período Q10% Q25% Q50% Q75% Q90% 1975 - 1983 701,8 537,6 382,4 218,3 103,1 1984 - 2000 938,1 745,1 507,5 325,8 182,0

Incremento con respecto a Q originales (%) 33.7 38.6 32.7 49.2 76.5

Valores de caudal en m3/s

Una vez discutido el efecto de la última intervención importante en el Canal del Dique sobre los caudales derivados, y teniendo en cuenta que estas condiciones han prevalecido hasta el presente, se ha considerado prudente concentrar los análisis hidrológicos sobre el período posterior a 1984. En la Figura 3-7 se presenta para este período el histograma de caudales medios anuales de la estación Incora.

Figura 3-7. Histograma de caudales medios anuales estación Incora

El análisis de la Figura 3-7 permite afirmar que debido a la variabilidad hidrológica de los caudales del río Magdalena (asociada con fenómenos macroclimáticos), se han presentado en el Canal del Dique años con caudales promedio muy superiores al promedio multianual (1988 - 1989), asociados con la ocurrencia del Fenómeno de la Niña, y caudales promedio anuales bien por debajo del promedio multianual (1991-1992), relacionados con la ocurrencia del Fenómeno del Niño. Este análisis muestra que la

CAUDAL MEDIO ANUAL - ESTACIÓN INCORA

0

100

200

300

400

500

600

700

800

1985

1986

1987

1988

1989

1990

1991

1992

*

1993

1994

1995

*

1996

*

1997

*

1998

*

1999

2000

*

TIEMPO (Años)

CAUD

AL M

EDIO

ANU

AL (m

3/s) Qm multianual

Año húmedo Año seco

Año promedio





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variabilidad interanual de los caudales en la cuenca del Canal del Dique está altamente influenciada por la ocurrencia de este tipo de fenómenos macroclimáticos, cuyo período de ocurrencia varía entre 3 y 7 años. Reforzando este argumento, varios investigadores (Mesa et al., 1997; Poveda, 2004) han demostrado la importante correlación existente entre estos fenómenos macroclimáticos y los caudales del río Magdalena en Calamar, los cuales constituyen la condición de frontera para los caudales derivados por el Canal del Dique.

En concordancia con lo anterior, los análisis efectuados indican que no basta con analizar el régimen hidrológico e hidráulico de la cuenca del Canal del Dique para eventos particulares o años seleccionados, sino que para comprender la dinámica del ecosistema del Canal del Dique es indispensable incluir en los análisis la variabilidad interanual mostrada. La importancia de este tipo de análisis se pone en evidencia en la Figura 3-8, en la cual para el período 1988 - 1991, seleccionado como el período de simulación del modelo acoplado hidrología-hidráulica, pues incluye un período húmedo (1988) uno seco (1991) y uno cercano al promedio (1990), se han determinado las diferencias de caudales entre las estaciones hidrométricas Incora y Gambote (análisis similares han sido efectuados para los otros pares de estaciones hidrométricas vecinas, ver el Anexo del informe CM - CD - 4: “Análisis y Modelación Climatológica e Hidrológica de la Cuenca del Canal del Dique”, mostrando las mismas tendencias que en la Figura 3-8). Claramente se evidencia en la Figura 3-8 la dinámica supra-anual del sistema ciénagas - canal, en la cual durante el año húmedo (1988) existe un importante desborde de aguas del canal hacia las ciénagas, volumen de agua que es almacenado en los cuerpos cenagosos del medio Canal del Dique, y posteriormente liberado a través de los caños de interconexión entre las ciénagas y el canal durante los años promedio (1990) y seco (1991).

Nuevamente esto muestra las complejidades del sistema analizado y conlleva a realizar un análisis integral, en el cual exista un acople entre el balance hídrico de las ciénagas, los correspondientes niveles en los espejos de agua, y el nivel concurrente en el Canal del Dique, caracterizando los flujos y reflujos que mantienen la dinámica natural del sistema, tal como se discute en el numeral 4 de este informe.

Las hidrógrafas diarias en cada estación hidrométrica, correspondientes al período de simulación (1988-1991), se muestran en la Figura 3-9. Igualmente la variabilidad de los caudales diarios para cada año, en relación con la curva de excedencias de la estación Incora, se muestra en la Figura 3-10, e indica que durante el primer semestre del año húmedo (1988) los caudales se acercan al caudal del 50% mientras que durante el segundo semestre los caudales superan el nivel de excedencia del 10%. Para el año promedio (1990) los caudales están ligeramente por debajo del nivel de excedencia del 50%, especialmente durante el segundo semestre. Durante el año seco (1991) los caudales siguen muy cerca la curva del nivel de excedencia del 90% durante todo el año. Otras curvas de excedencias pueden consultarse en el Anexo del informe CM - CD - 4: “Análisis y Modelación Climatológica e Hidrológica de la Cuenca del Canal del Dique”.





27

Figura 3-8: Diferencias de caudales entre estaciones Gambote e Incora para los años húmedo (1988), promedio (1990), y seco (1991)

Figura 3-9: Series de caudales medios diarios en las cuatro estaciones

hidrométricas analizadas para el período de simulación 1988-1991





28

Figura 3-10: Curva de excedencias de caudales medios diarios estación Incora

Mostrando el comportamiento de los caudales para los años húmedo, promedio y seco, seleccionados como período de simulación





29

4. MODELO ACOPLADO HIDRÁULICA –HIDROLOGÍA

En los párrafos anteriores se ha resaltado la importancia de estudiar el sistema del Canal del Dique de forma integral, a escala interanual y relacionando los aspectos hidrológicos de la cuenca con el componente hidráulico. Así, como parte de los estudios adelantados por la Universidad Nacional se ha desarrollado un modelo acoplado hidráulica- hidrología. Este modelo requiere las condiciones de frontera i) a la entrada del Canal del Dique, correspondientes a la hidrógrafa diaria en Incora durante el período de simulación (1988-1991) y ii) a la salida al mar de cada uno de los caños, representadas por la variación a nivel horario de la marea. Igualmente el modelo requiere condiciones intermedias en cada uno de los caños de interconexión entre el Canal del Dique y las ciénagas, representadas por la magnitud y el sentido del flujo desde las ciénagas hacia el Canal del Dique o viceversa. Mayor detalle en cuanto a la conceptualización, implementación y calibración del modelo acoplado se presenta en el informe CM - CD - 7.

Con el fin de analizar las condiciones intermedias del modelo acoplado es necesario realizar para cada una de las principales ciénagas un balance hidrológico, lo más compatible posible con el intervalo de cálculo del modelo hidráulico (3 hr). Por esta razón se ha optado por realizar un balance hidrológico diario de cada cuerpo cenagoso. En este balance y para cada espejo de agua las entradas corresponden a la precipitación, los desbordes del Canal del Dique en la zona de influencia, las entradas desde el Canal del Dique a través del caño(s) de interconexión, y los aportes de la cuenca que drena al cuerpo cenagoso. Las salidas en el balance hidrológico de cada ciénaga involucran la evaporación sobre el espejo de agua y los caudales de la ciénaga hacia el Canal del Dique (ver Figura 4-1)

Estas condiciones deben ser analizadas desde aguas arriba hacia aguas abajo en el modelo hidráulica-hidrología y los niveles en el Canal del Dique ajustados de acuerdo con las condiciones intermedias encontradas en cada ciénaga. La Figura 4-1 muestra un esquema de la conceptualización del balance hidrológico para cada uno de los ocho cuerpos cenagosos modelados.

Las series de precipitación y evaporación potencial a nivel diario en cada espejo de agua, para el período de simulación (1988-1991), han sido obtenidas del análisis de series de tiempo de estos parámetros en las estaciones meteorológicas cercanas a cada ciénaga, ponderadas con respecto a su influencia sobre el correspondiente espejo de agua (ver Capítulo 5 del Anexo del informe CM - CD - 4: “Análisis y Modelación Climatológica e Hidrológica de la Cuenca del Canal del Dique”). En muchos casos las series de precipitación diarias suministradas por el IDEAM se encontraron bastante incompletas, por lo que ha sido necesario utilizar análisis estadísticos para el llenado de datos faltantes utilizando registros de precipitación de la misma estación (regresiones) o de estaciones vecinas (método del inverso de la distancia). Las series de evaporación potencial han sido obtenidas a partir de las series de tanque evaporímetro, afectadas por un valor de 0.7, que corresponde al coeficiente promedio del tanque. En casos de existencia de datos faltantes en las series de tanque evaporímetro, los valores de evaporación han sido estimados a partir de los datos de temperatura diaria y el método de mejor ajuste entre Turc modificado, Blanney y Criddle o Thornthwaite.





30

Figura 4-1: Diagrama esquemático de balance hídrico a nivel diario en cada cuerpo cenagoso

Las series de precipitación y evapotranspiración potencial para el período de simulación 1988-1991, para el caso particular de la Ciénaga de María La Baja (utilizado en este informe como ejemplo ilustrativo), se muestran en la Figura 4-2. Análisis similares han sido realizados para los otros siete cuerpos cenagosos principales y pueden consultarse en el Anexo del informe CM - CD - 4: “Análisis y Modelación Climatológica e Hidrológica de la Cuenca del Canal del Dique”.

En relación con los aportes de la cuenca aferente a cada cuerpo cenagoso estos han sido obtenidos a través de la modelación diaria de tipo continuo para el período de simulación 1988-1991. Para ello se ha utilizando la estructura de modelación continua del modelo HEC-HMS (U.S. Army Corps of Engineers, 2005), siguiendo la metodología que se describe en el numeral 5.





31

Figura 4-2. Series diarias de precipitación y evapotranspiración potencial para el espejo de agua de la Ciénaga de María La Baja para el período de simulación 1988-1991.

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

90.0

100.0

01/0

1/19

8809

/02/

1988

19/0

3/19

8827

/04/

1988

05/0

6/19

8814

/07/

1988

22/0

8/19

8830

/09/

1988

08/1

1/19

8817

/12/

1988

25/0

1/19

8905

/03/

1989

13/0

4/19

8922

/05/

1989

30/0

6/19

8908

/08/

1989

16/0

9/19

8925

/10/

1989

03/1

2/19

8911

/01/

1990

19/0

2/19

9030

/03/

1990

08/0

5/19

9016

/06/

1990

25/0

7/19

9002

/09/

1990

11/1

0/19

9019

/11/

1990

28/1

2/19

9005

/02/

1991

16/0

3/19

9124

/04/

1991

02/0

6/19

9111

/07/

1991

19/0

8/19

9127

/09/

1991

05/1

1/19

9114

/12/

1991

FECHA

PREC

IP (m

m)

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

Etp

(mm

)

PRECIPITACION EVAPOTRANSPIRACION POTENCIAL

P total = 6750 mmETp total= 5840 mm





32

5. MODELACIÓN HIDROLÓGICA DE LAS CUENCAS APORTANTES A LOS PRINCIPALES CUERPOS CENAGOSOS

Por ser un modelo ampliamente aceptado y evaluado por la comunidad hidrológica nacional e internacional, se ha decidido realizar la modelación del proceso lluvia-escorrentía de la cuenca aferente a cada cuerpo cenagoso utilizando el modelo HEC-HMS. Esto con el fin de obtener la hidrógrafa de caudales diarios (Q) aportada a cada ciénaga, tal como lo muestra el esquema de la Figura 4-1, y así tener todas las variables para realizar el balance sobre cada cuerpo cenagoso.

En la mayoría de las aplicaciones reportadas en la literatura el modelo HEC-HMS ha sido utilizado a nivel de evento de tormenta. Sin embargo, existen un buen número de aplicaciones del modelo bajo condiciones de modelación continua (Bennett y Peters, 2000; Cunderlink et al., 2004; Fleming y Neary, 2004), como la desarrollada en este estudio.

A diferencia de la modelación de tipo evento, en la modelación continua con HEC-HMS se tiene en cuenta la evapotranspiración y se realiza un continuo seguimiento de la evolución de la humedad en el suelo. Las otras características de transformación de precipitación efectiva en escorrentía, y de tránsito de crecientes, son idénticas a las del modelo de evento, y en este estudio se seleccionaron el método del hidrograma unitario del Servicio de Conservación de Suelos y el método de Muskingum, respectivamente.

Con respecto al cálculo de la evapotranspiración potencial esta puede realizarse suministrando al modelo datos mensuales de evaporación de tanque evaporímetro, o suministrando series de radiación y temperatura diaria para realizar el cálculo de la evapotranspiración potencial por el método de Priestley-Taylor (1972). Ambas alternativas fueron investigadas en la modelación, mostrando resultados muy consistentes.

Con relación al seguimiento de la evolución de la humedad del suelo, el modelo HEC-HMS brinda dos alternativas. La primera es realizar una modelación relativamente simple a través de un único tanque que es llenado por la infiltración y vaciado por efecto de la evapotranspiración y percolación. La segunda alternativa utiliza un esquema mucho más complejo de cinco tanques, cada uno de los cuales tiene en cuenta y de forma separada algunos de los principales procesos hidrológicos. Existe así un tanque para la simulación de la intercepción, otro para el almacenamiento superficial, otro para la humedad en los estratos más superficiales del suelo, y dos tanques que representan el movimiento del agua subterránea en los estratos profundos.

La gran diferencia entre las dos alternativas de seguimiento de la humedad del suelo radica en la complejidad de la modelación y por ende en la parsimonia de los modelos. Mientras que el modelo de un solo tanque requiere condiciones iniciales y únicamente dos parámetros (el nivel máximo de almacenamiento y una tasa constante de pérdidas), el modelo de cinco tanques requiere además del establecimiento de las condiciones iniciales en cada tanque, la definición de los valores de 21 parámetros (sin incluir ni el tiempo de concentración de la cuenca ni el área impermeable, ver Tabla 5-1). Ambas alternativas





33

han sido analizadas dentro de este estudio y al final fue adoptada la modelación más simple con un solo tanque.

Uno de los aspectos de mayor importancia en la modelación hidrológica se refiere a la calibración de los parámetros del modelo, a partir de mediciones simultáneas de precipitación y de caudales en una misma cuenca. Después de realizar una exhaustiva búsqueda en las bases de datos del IDEAM, de cuencas que en la zona del Canal del Dique cumplieran con este requerimiento, se ha encontrado que únicamente la cuenca del Arroyo Corral, subcuenca de la Ciénaga de María La Baja, con un área de 103 km2 (105km2 reporta el IDEAM (1990)), cumple con la existencia de registros de caudales diarios (Estación Campamento), bastante completos para el año 1989, y simultáneamente datos de precipitación en las estaciones Mampujá, Puerto Santander y Nueva Florida, en inmediaciones de la cuenca. Por esta razón la cuenca del Arroyo Corral ha sido seleccionada como la cuenca en donde se ha realizado el proceso de calibración del modelo lluvia-escorrentía.

Figura 5-1: Localización de la cuenca del Arroyo Corral

Localización de la cuenca del Arroyo Corral en la cuenca del Canal del Dique y ubicación de las estaciones meteorológicas y de caudales utilizadas en el proceso de calibración del modelo lluvia-escorrentía

La ubicación de la cuenca del Arroyo Corral en la cuenca del Canal del Dique y la localización de las estaciones meteorológicas y de caudal, se presenta en la Figura 5-1. En relación con las características de cobertura vegetal y de suelos, estas se presentan en la Figura 5-2. La cobertura vegetal y las características de suelos en la cuenca del Arroyo Corral son las predominantes en toda la cuenca del Canal del Dique (pastos y suelos de serranías, piedemonte y colinas).





34

Figura 5-2. Mapas de suelos y cobertura vegetal en la cuenca del Arroyo Corral.

La Figura 5-3 muestra las series diarias de precipitación y caudales registradas para el año 1989 en la estaciones Mampujá y Campamento. El análisis de la hidrógrafa en la Figura 5-3 muestra que durante la mayor parte del tiempo domina un flujo base de aproximadamente 0.6 m3/s y que la cuenca solo responde a eventos de precipitación importantes, por lo general mayores de 40 mm por día. El valor del caudal medio durante el año 1989 corresponde a 0.95 m3/s, el cual convertido a lámina de agua representa aproximadamente 290 mm, que son alrededor del 15% de la precipitación registrada durante el mismo año (1895 mm).

Poniendo de manifiesto que la relación lluvia-escorrentía es altamente no lineal, si se realiza un ejercicio simplista de referencia, de extrapolar linealmente los caudales promedio de una cuenca de 100 km2 (1.0 m3/s) a una cuenca de 4,000 km2 (cuenca del Canal del Dique descontando los espejos de agua), bajo similares condiciones climatológicas y físicas, se tendría que los aportes de la cuenca total podrían ser del orden de 40 m3/s, los cuales representan aproximadamente el 8% del caudal medio derivado en Incora. Este ejercicio bastante simplista y aunque no exacto, apunta a establecer que efectivamente los aportes de las cuencas aferentes a las ciénagas pueden ser significativos, y más que el valor exacto de aportes obtenido mediante este ejercicio simplista, es interesante observar el orden de magnitud, lo que plenamente justifica el ejercicio de modelación lluvia-escorrentía para cada cuerpo cenagoso. Ejercicios adicionales más sofisticados realizados con el modelo HidroSIG (Universidad Nacional de Colombia –Sede Medellín, 2005), utilizando el campo de precipitación media obtenido utilizando interpolación con krigging con deriva ENA (1347 mm) y el campo de evapotranspiración real (NHC) basado en Penman potencial (1043 mm) sobre toda la cuenca (3915 km2) dan un valor de 38 m3/s de aporte al Canal del Dique, de alguna forma consistente con el primer estimativo.

En cuanto al proceso de calibración de parámetros para los modelos de uno y cinco tanques este ha sido realizado combinando una estrategia de calibración manual con las herramientas de calibración automática disponibles en HEC-HMS, que permiten realizar una calibración de parámetros utilizando el método del gradiente y el método de Nelder Meade (1965), ambos procedimientos de búsqueda local del mínimo de una función. Con respecto a la función objetivo, para la optimización se investigaron el error porcentual en volumen (elegido como función objetivo final), el porcentaje de error en los caudales pico y la suma absoluta de los residuales.





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Figura 5-3: Series de precipitación y caudales diarios en la cuenca del Arroyo Corral para el año 1989

Series de precipitación (Estación Mampujá arriba) y caudales diarios (Estación Campamento abajo) en la cuenca del Arroyo Corral para el año 1989

Para los modelos de uno y cinco tanques se presentan en la Tabla 5-1 los valores de los parámetros calibrados. La comparación entre caudales observados y simulados en la cuenca del Arroyo Corral para ambos modelos se muestra en la Figura 5-4. Criterios estadísticos (coeficiente de determinación R2, sesgo porcentual absoluto APB, error cuadrático medio RMSE, error absoluto promedio MAE, diferencia entre volúmenes simulados y observados DV, coeficiente de Nash-Sutcliffe, y sesgo) evaluando la bondad del ajuste para cada caso se presentan en la Tabla 5-3 e indican un ajuste bastante satisfactorio entre los caudales observados y los simulados; con resultados un poco superiores para el modelo de un tanque. Los valores óptimos de los criterios estadísticos utilizados corresponden a 1.0 para R2 y Nash, y 0.0 para los otros criterios. Es importante resaltar que los datos de precipitación en la estación Mampujá fueron ajustados con el patrón de caudales para dos fechas: en Nov 5 la precipitación de 107 mm fue ajustada a 67 mm, y en Dic 2 la precipitación de 66 mm fue ajustada a 106 mm. Sin este ajuste, los valores de los criterios estadísticos para ambos modelos resultaron bastante bajos.





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Tabla 5-1: Valores calibrados de los parámetros del modelo HEC-HMS para las alternativas de modelo con 1 y 5 tanques

Modelo de 1 tanque Modelo de 5 tanques Parámetro Valor Parámetro Valor Parámetro Valor

Smax 100 mm Ci 10 % G1p 1.0 mm/hr P 2.1 mm/hr Cs 0.1 mm G1c 24 hr

Si 1 % G2i 60 % Ss 33 mm G2s 400 mm If 7.2 mm/hr G2p 1 mm/hr Is 90 % G2c 65 hr Us 90 mm B1s 1000 hr Ts 75.5 mm B1r 9 No. Sp 2.5 mm/hr B2s 600 hr G1i 40 % B2r 25 No.

G1s 210 mm

Tabla 5-2: Resumen de parámetros Modelo continuo HEC-HMS de pérdidas de la precipitación utilizando 1 y 5 tanques

Parámetro Símbolo Unidades Componente hidrológico

Almacenamiento máximo de agua en el suelo

Smax mm

Tasa constante de pérdidas P mm/hr

PERDIDAS 1 tanque

Almacenamiento inicial de agua en la vegetación

Ci %

Capacidad de almacenamiento de agua en la vegetación

Cs mm

Almacenamiento inicial de agua en depresiones Si %

Capacidad de almacenamiento de agua en depresiones

Ss mm

Tasa de infiltración If mm/hr Almacenamiento inicial de agua en el suelo Is %

Capacidad de almacenamiento de agua en el suelo

Us mm

Capacidad de almacenamiento de agua en la zona bajo tensión sup.

Ts mm

Tasa de percolación Sp mm/hr Almacenamiento inicial de agua en el reservorio 1 de aguas subterráneas

G1i %

Capacidad de almacenamiento de agua en el reservorio 1 de aguas subterráneas

G1s mm

PERDIDAS 5 tanques

Tabla 5-2: Resumen de parámetros Modelo continuo HEC-HMS de pérdidas de la precipitación utilizando 1 y 5 tanques

Parámetro Símbolo Unidades Componente hidrológico

Tasa de percolación reservorio 1 G1p mm/hr

Coeficiente de almacenamiento en el reservorio 1 de aguas subterráneas

G1c hr

Almacenamiento inicial de agua en el reservorio 2 de aguas subterráneas

G2i %

Capacidad de almacenamiento de agua en el reservorio 2 de aguas subterráneas

G2s Mm

Tasa de percolación reservorio 2 G2p mm/hr

Coeficiente de almacenamiento en el reservorio 2 de aguas subterráneas

G2c hr

Coeficiente de almacenamiento flujo base 1

B1s hr

Número de reservorios flujo base 1 B1r No.

Coeficiente de almacenamiento flujo base 2

B2s hr

Número de reservorios flujo base 2 B2r No.

FLUJO BASE

Tiempo de concentración Tc hr ESC.

DIRECTA





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Tabla 5-3: Criterios de bondad de ajuste entre los caudales observados y los caudales simulados por el modelo HEC-HMS para los modelos de uno y cinco tanques

Modelo R2 Apb% Rmse (m3/s)

Mae (m3/s) Dv (%) Nash-

sutcliffe Sesgo (m3/s)

1 tanque 0.79 26.3 1.0 0.25 -6.4 0.77 -0.07 5 tanques 0.66 39.8 1.4 0.38 +0.7 0.63 0.01

Teniendo en cuenta que en el proceso de calibración los parámetros del modelo hidrológico han sido calibrados para un modelo de parámetros agregados y no para diferentes combinaciones de suelos-cobertura vegetal (modelo de parámetros distribuidos), y considerando que la cuenca del Arroyo Corral es representativa de las características promedio de combinaciones suelo-cobertura para las cuencas aportantes a espejos de agua (suelos de serranía y colinas y cobertura en pastos), y ante la carencia total de información para calibrar el modelo de largo plazo en otra región, se ha decidido como mejor alternativa de modelación realizar la transferencia de los parámetros calibrados en la cuenca del Arroyo Corral a otras cuencas de similar tamaño drenando a ciénagas diferentes a la de María La Baja.

Continuando con el ejemplo de ilustración, para la modelación de la Ciénaga de María La Baja se ha seguido el esquema arriba descrito, y se ha dividido la cuenca total en 10 subcuencas con áreas de aproximadamente 100 km2 cada una. Para cada una de estas subcuencas se han calculado las características morfométricas y se ha elaborado el diagrama de modelación de la cuenca de HEC-HMS, tal como se presenta en la Figura 5-5. Los resultados de la modelación y en particular la hidrógrafa de caudales de entrada a la Ciénaga de María La Baja durante el período de simulación 1988-1991 se muestran en la Figura 5-6. Idéntico procedimiento ha sido seguido para las otras siete ciénagas, tal como se muestra en el Anexo del informe CM - CD - 4: “Análisis y Modelación Climatológica e Hidrológica de la Cuenca del Canal del Dique”.

Los resultados en la Figura 5-6 indican que la escorrentía que llega a la Ciénaga de María La Baja desde su cuenca aportante, durante el período de simulación, es de 878 mm aproximadamente, que representa el 13.5% de la precipitación total sobre la cuenca (6486 mm). Los resultados para otras cuencas se sintetizan en la Tabla 5-4 y se muestran gráficamente en el Anexo del informe CM - CD - 4: “Análisis y Modelación Climatológica e Hidrológica de la Cuenca del Canal del Dique”.

Los resultados mostrados en la Tabla 5-4 indican que para el período de simulación (1988-1991), la escorrentía, en términos generales, aumenta ligeramente desde aguas arriba hacia aguas abajo en el sentido del flujo en el Canal del Dique. La lámina de escorrentía representa entre el 15 y el 20% de la precipitación sobre las cuencas investigadas. La cuenca aportante a la Ciénaga La Luisa es una excepción pues genera escorrentías superiores al 25% de la precipitación. Este hecho es debido a las características particulares de la serie de precipitación en esta cuenca, la cual a pesar de tener relativamente bajos valores de precipitación total (3307 mm), presenta mayores intensidades de precipitación que en las otras cuencas.





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Figura 5-4: Resultados de la modelación con HEC-HMS para la cuenca del Arroyo Corral utilizando los modelos de 1 y 5 tanques

Si se realiza un cálculo aproximado de la escorrentía que se generaría sobre toda la cuenca del Canal del Dique (nótese que aquí se han modelado únicamente los ocho cuerpos cenagosos mayores), para una precipitación de 1290 mm se tendría una lámina entre 195 y 260 mm, que representaría un caudal entre 25 y 35 m3/s, aproximadamente entre el 5% y el 7% de los caudales promedio derivados por el Canal del Dique. A primera vista el orden de magnitud de estos aportes podría parecer despreciable, sin embargo son estos aportes los que contribuyen a mantener la dinámica del sistema ciénagas – Canal del Dique y por este motivo se considera indispensable incluirlos en el modelo acoplado hidráulica-hidrología.

La dos últimas columnas de la Tabla 5-4 muestran la comparación entre la modelación hidrológica realizada para cada cuenca aportante a cada ciénaga, con respecto a los resultados del balance hídrico mensual de las mismas cuencas desarrollados por la Universidad del Norte (2003). Sistemáticamente para todas las cuencas los valores reportados por la Universidad del Norte son inferiores a los obtenidos en este informe. La razón para ello radica en que los valores de la Universidad del Norte solo incluyen la precipitación neta, y no consideran los aportes de aguas subterráneas, los cuales sí son tenidos en cuenta en la modelación hidrológica diaria desarrollada en este estudio para cada cuerpo cenagoso.





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Considerando que el balance hídrico de cada cuerpo cenagoso requiere la solución simultánea de las condiciones de frontera, representadas por el nivel en el espejo de agua y en el Canal del Dique, y la inclusión de las entradas y salidas a cada ciénaga, su cálculo se realiza utilizando el modelo acoplado hidráulica –hidrología. Por tanto, la discusión del balance hídrico durante el período de simulación de cada cuerpo cenagoso se realiza en el informe CM - CD - 7

Figura 5-5: Esquema de modelación en HEC-HMS para la cuenca de la Ciénaga de María La Baja

Las características morfométricas de cada subcuenca se muestran en la Tabla 5-4





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Figura 5-6: Resultados de la modelación continua con HEC-HMS para la cuenca de la Ciénaga de María La Baja utilizando el modelo simplificado de un solo tanque

Tabla 5-4: Resultados modelación hidrológica de cuenca aferente a cada cuerpo cenagoso para el período de simulación 1988-1991.

Ciénaga Precip. (mm)

Pérdidas (mm)

Escorrentía (mm)

Escorrentía como % de

P (%)

Precip. neta como % de

P (%)1 Jobo 3667.1 2915.1 752 20.5 5.4

Guájaro 3708.1 2957.1 751 20.2 10.6 Tupe-Capote-Zarzal 5088.7 4202.7 717 17.4 4.8

Luisa 3306.7 2420.7 886 26.7 4.0 Aguas Claras 5500.5 4719.5 781 14.2 4.0

Matuya 6595.5 5840.5 755 11.5 8.8 María La Baja 6486.0 5608.0 878 13.5 8.8 Juan Gómez 5263.3 4509.3 754 14.3 7.5

1 Cálculos realizados a partir de los resultados del balance hídrico mensual de las subcuencas del Canal del Dique elaborados por la Universidad del Norte (2003). Incluye únicamente escorrentía directa, sin aporte de flujo base.





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6. CONCLUSIONES

En este informe de aspectos climáticos e hidrológicos de la cuenca del Canal del Dique se ha pretendido dar una visión general y un marco de referencia acerca de la disponibilidad del recurso hídrico en la zona de estudio, caracterizando los componentes físico, climatológico e hidrológico de la ecorregión, a partir de estudios previos y análisis complementarios.

La caracterización climatológica de la cuenca del Canal del Dique, con una extensión de 4,400 km2, muestra que los valores de precipitación y evapotranspiración promedio multianual (1290 y 1220 mm, respectivamente) son típicos de una cuenca esencialmente deficitaria. En cuanto a características morfométricas de la cuenca es importante resaltar que esta posee una baja densidad de drenaje (0.3 km/km2), típica de una cuenca pobremente drenada, lo que indica el juicioso manejo que debiera acometerse en la misma para preservar los drenajes y mantener el equilibrio natural del sistema.

A partir del análisis de las variables meteorológicas que definen el clima de la ecorregión, y de acuerdo con el sistema de clasificación de Caldas-Lang, el clima de la ecorregión puede clasificarse como Csa: Clima cálido semiárido, característico de zonas con precipitaciones moderadas y elevadas temperaturas.

Con respecto al impacto del cambio climático global sobre el clima de la ecorregión puede concluirse, a partir del análisis de información secundaria, que las temperaturas en la zona se han venido incrementando a una tasa de aproximadamente 0.04 °C/año y que para el año 2050 se anticipan disminuciones de la precipitación del orden del 3% con respecto al promedio del período 1960-1990. Teniendo en cuenta que actualmente el índice P/ET de toda la cuenca es cercano a 1.0, lo anterior sugiere que en las próximas décadas posiblemente empezarán a surgir problemas de desertificación de algunas tierras en la zona del Canal del Dique.

En cuanto a la caracterización hidrométrica de las estaciones con registros de niveles y caudales, se ha mostrado que en promedio el Canal del Dique deriva el 7.5% de los caudales que transporta el río Magdalena. De los caudales que ingresan al canal, aproximadamente el 24% llega a la Bahía de Cartagena, el 26% a la Bahía de Barbacoas y la parte restante corresponde a los caudales evacuados por el caño Correa (14%) y a las pérdidas de caudal por desborde hacia las ciénagas, las cuales han sido cuantificadas en el 36% de los caudales que ingresan al canal.

A partir de los análisis aquí descritos se ha mostrado el importante efecto que tienen fenómenos macroclimáticos como el Niño y la Niña, sobre todo en la variabilidad hidrológica de los caudales en el Canal del Dique. Asimismo, se ha demostrado el efecto que esta variabilidad tiene sobre los desbordes desde el canal hacia las ciénagas y la complejidad de estos intercambios de agua. Reconociendo esta variabilidad interanual se ha definido como período de simulación del modelo hidráulica-hidrología acoplado el lapso entre 1988 y 1991. Este período incluye un año húmedo (1988 - Niña), seguido de dos años promedio (1989 y 1990) y un año seco (1991 - Niño)





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Para dar respuesta a las complejidades del sistema y con el fin de tener una herramienta para el análisis del sistema y la toma decisiones con respecto al mismo, se ha desarrollado un modelo acoplado hidráulica-hidrología, capaz de representar la compleja dinámica del ecosistema de una forma integral y a escala interanual, permitiendo así la real interacción ente el Canal del Dique y sus complejos cenagosos. La justificación para el desarrollo del componente hidrológico de modelación y su desarrollo han sido claramente justificados y explicados en este informe.

Como parte de los estudios hidrológicos se han procesado series de variables meteorológicas para los principales ocho cuerpos cenagosos, que en conjunto con la modelación del proceso lluvia-escorrentía realizado en cada cuenca aferente con el modelo HEC-HMS, han permitido evaluar la dinámica de los regimenes de niveles y caudales de intercambio entre las principales ciénagas y el Canal del Dique.

Los resultados de la modelación hidrológica realizada para las cuencas aportantes a los ocho cuerpos cenagosos mayores sugieren que en promedio el 15% de la precipitación se convierte en escorrentía, y pone nuevamente en evidencia la importancia de incluirla en la modelación del sistema ciénagas- Canal del Dique.





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ANEXO A: ANÁLISIS Y MODELACIÓN CLIMATOLÓGICA E HIDROLÓGICA DE LA CUENCA DEL CANAL DEL DIQUE

Ver documento anexo





ANEXO B: ARCHIVOS DE PROCESAMIENTO DE INFORMACIÓN





En medio magnético se encuentran las siguientes carpetas las cuales corresponden a los archivos de información básica y procesada, incluyendo los análisis de series meteorológicas e hidrométricas. Igualmente se incluyen los archivos, datos y resultados de la modelación efectuada con HEC-HMS de la cuenca aferente a cada cuerpo cenagoso.

• Curvas _calibración

• datos_modelo_hidraulico

• datos_y_series_calibración_hec_hms

• HEC-HMS

• informacion_IDEAM

• fotos-sobrevuelo

• mapas_y_figuras

• series_hidrometría

• series_meteorologia_procesadas

cm-cd-04 informe de hidrologiaweb01eja.cormagdalena.com.co/aplicaciones...informe cm - cd - 4...

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