1. INTRODUCCION.

1.1. Por qu necesitamos predicciones de escorrenta.

Durante febrero de 2007 la inundacin del Rio Zambezi, Paulo Zucula, el director del instituto Nacional de Mozambique para la Gestin de Desastres, estaba tratando de contener el desastre a lo largo del rio: 'Las personas evacuadas han estado en campamentos durante ms de una semana sin alimentacin adecuada... ellos estn aislados y no podemos ir all por carretera, as que tenemos que transportar por aire a algunos de ellos y colocar los alimentos ", dijo. Unas 90 000 personas se quedaron sin hogar por las inundaciones. Segn un trabajador de Oxfam, alrededor de 1000 personas al da estaban llegando a los campamentos, incluso sin ningn tipo de refugio que se proporcionan. El gobierno haba aprendido las lecciones de la inundacin anterior de 2001, sin embargo, durante el cual cerca de 700 personas murieron. Esta vez se puso en marcha de inmediato misiones en barco y helicptero para evacuar a las personas de las zonas afectadas. Pero ellos corran rpidamente escasez de alimentos para el pueblo en los 33 campamentos temporales, que tambin carecan de carpas, medicinas y agua limpia. En enero de 2008 una gran inundacin golpe de nuevo el Zambeze. Esta vez alrededor de 50 000 personas en Mozambique fueron desplazadas por la inundacin. 'la propiedad y la infraestructura de nuevo est siendo destrozado pero estn ms preocupados por la gente ", dijo Paulo Zucula. La inundacin en el valle de Zambezi era en realidad peor que las inundaciones de febrero de 2007, y las autoridades se vieron obligadas a evacuar las zonas donde haban sido reasentadas las vctimas de las inundaciones anteriores. Qu tiene que ver con la prediccin de escorrenta en cuencas no aforadas (PUB) este desastre? Mucho! La hidrologa del valle de Zambezi en Mozambique est

fuertemente afectada por la presencia de la presa de Cahora Bassa (ver Figura 1.1). Esta presa, diseada para liberar a unos 1.900 m3/s a travs de sus turbinas para la generacin de energa hidroelctrica, tiene una capacidad de liberacin de inundacin limitada. Con el fin de hacer frente a grandes inundaciones, tiene que bajar su nivel del depsito sustancialmente antes del inicio de la temporada de inundaciones cada ao. Es un perpetuo equilibrio entre el valor econmico de la generacin de energa hidroelctrica, el riesgo de daos por inundaciones y el riesgo de rotura de la presa. Lo que hace an ms complicada la operacin de la presa es que gran parte de la cuenca aguas arriba del ro Zambezi es literalmente no aforada. La escorrenta en la corriente principal del ro Zambezi puede ser regida por el ro arriba de la presa de Kariba, desde donde se emiten advertencias cuando se abren las puertas de la inundacin, pero los operadores no tienen conocimiento de la entrada de la cuenca intermedia, de los cuales el Luangwa con su 50 000 km2 es el ms grande. El Luangwa es completamente no aforadas. Como resultado, los operadores a veces tienen que abrir las compuertas y descarga ms agua de lo que sera necesario, con el beneficio de la retrospectiva. Mejores predicciones de escorrenta en el Luangwa podran reducir las emisiones de las inundaciones, aumentar la produccin de energa hidroelctrica, mejorar la advertencia de inundacin, y reducir el dao y el sufrimiento de aguas abajo. En el captulo 11, un estudio de caso de Hessel Winsemius muestra que, incluso en una cuenca no aforadas como el Luangwa, se puede hacer mucho en cuanto a la mejora de las predicciones de inundaciones. La figura 1.2 es un volcado de pantalla del modelo en lnea que Winsemius desarrollado para la cuenca del ro Luangwa, completamente basada en datos de teledeteccin (en su mayora de precipitacin y de informacin meteorolgica).

Figura 1.1. La presa de Cahora Bassa, Mozambique, derramando a travs de una de las ocho puertas de la inundacin. El modelo ha estado en funcionamiento desde el ao 2009 y proporciona actualizaciones cada hora de las estimaciones de escurrimiento. La escorrenta es muy importante en comparacin con el flujo de salida media de la presa de Cahora Bassa, y as estas predicciones puede de hecho hacer la diferencia entre la vida y la muerte, la alerta temprana y el desplazamiento forzado. Esto demuestra la importancia directa de PUB para la sociedad. Los desafos en el manejo rutinario de la Cahora Bassa Embalse demuestran la importancia de las predicciones de escorrenta para la gestin de embalses, pero

hay muchos otros fines para los que se necesitan predicciones de escorrenta. Las predicciones de inundacin son necesarias para el diseo de vertederos, alcantarillas, presas, diques, direccin de embalses, la restauracin de ros y gestin de riesgos. Se necesitan predicciones de bajo flujo para determinar los caudales ambientales para la salud corriente ecolgica, gestin de la sequa, la restauracin de ros y la evaluacin de la dilucin de los vertidos en un arroyo. Tabla 1.1 ilustra la gama de problemas para los que se necesitan predicciones de escorrenta en el contexto de los recursos hdricos integrados y gestin de riesgos. Todos ellos tienen relevancia social directa (Carr et al., 2012). Claramente, las predicciones de escorrenta son importantes para una gran parte de la humanidad. Desafortunadamente, en la mayora de las cuencas de todo el mundo, no se mide la escorrenta. En cualquier regin dada, en cualquier parte del mundo, slo una fraccin de las cuencas poseen un medidor de flujo, donde se miden los niveles de agua, que luego se transforma en escorrenta, es decir, el volumen de agua por unidad de tiempo que fluye a travs de una cruzada seccin de un arroyo. Todas las dems cuencas no tienen medidor de flujo, y tambin lo son no aforadas, y sin embargo, se necesita

informacin de escorrenta en casi todas partes la gente vive por la multitud de propsitos se describe anteriormente. Por tanto, el nico recurso es predecir la escorrenta en estas cuencas o ubicaciones usando datos alternativa, o informacin o conocimiento. Cmo se puede predecir la escorrenta para estas cuencas no aforadas y cun bien se puede hacer esto son el objeto de este libro.

1.2. Predicciones de escorrenta en cuencas no aforadas son difciles.

Entonces, cmo se puede predecir la escorrenta a escala de cuenca? Por desgracia, actualmente no existen teoras universales o ecuaciones aplicables para predecir la escorrenta a escala de cuenca. La mayora de los conocimientos que tenemos de los procesos que ocurren dentro de la cuenca se ha derivado en la escala de 'punto' o de laboratorio (Dooge, 1986; Blschl, 2005b). Las ecuaciones de flujo de agua son esencialmente vlidas en la escala de laboratorio. Del mismo modo, las teoras de la infiltracin que utilizamos actualmente son ecuaciones punto de escala y flujo superficial est claramente definido en la escala hidrodinmica, desarrollado en los laboratorios hidrulicos donde los procesos turbulentos estn muy bien investigados. Este enfoque podra funcionar, en principio - geomtricamente la cuenca puede ser fcilmente descompuestos en elementos suficientemente uniformes. Este llamado enfoque reduccionista es entonces la manera ms lgica de la construccin de modelos predictivos. Para la estimacin de la escorrenta en cuencas no aforadas el enfoque luego dar lugar a una forma de modelos hidrolgicos distribuidos basados en procesos que resuelven las ecuaciones que rigen para la masa, cantidad de movimiento y la energa de una manera espacialmente explcita, aprovechando tanto la comprensin proceso a escala de

laboratorio como sea posible. En este libro vamos a llamar a esto el enfoque newtoniano, como la esencia de este tipo de modelos se basa en la fsica newtoniana o mecnica. El enfoque de Newton tiene numerosos puntos fuertes. En primer lugar, se basa en las relaciones de causa y efecto. Si cambia una entrada o un parmetro del modelo en algn lugar, no hay una respuesta claramente definida de la segunda vuelta a este cambio. Esto es muy importante para muchas aplicaciones, en particular para aquellos relacionados con cambiar prediccin. Uso de la tierra los efectos del cambio se pueden simular directamente por este tipo de modelos y, de manera similar, el enfoque se presta naturalmente para los anlisis de impacto climtico. En segundo lugar, estos modelos son espacialmente explcitos y tienen el potencial para representar los procesos dentro de la cuenca en muchos detalles, como los patrones espaciales en las caractersticas de infiltracin, la forma exacta de canales o la presencia de cualquier estructura hidrulica. Una vez ms, hay considerable beneficio en la representacin espacial, como cualquier conocimiento detallado que uno tenga sobre la captacin puede explotarse plenamente. En tercer lugar, las ecuaciones subyacentes, como la ley de Darcy o ecuacin de Manning son conocidas por trabajar en la escala de laboratorio para una amplia gama de condiciones de flujo, as que debera ser posible extrapolarlos a una amplia gama de situaciones hidrolgicas, tales como bajo mucho mayor precipitacin. Las ecuaciones fundamentales son universales, por lo que deben ser aplicables en todas partes en todo momento. Esto es atractivo ya que va a generar el conocimiento generalizable. Adems, hay muchos ejemplos de disciplinas hermanas, tales como las ciencias de la atmsfera y el sistema hidrulico de los ros, donde los modelos distribuidos son la moneda universal. Sin embargo, existen tres problemas con el enfoque newtoniano para predecir el

escurrimiento de la cuenca. Cuando subdividir la cuenca en unidades computacionales, es necesario caracterizar el sistema a travs del cual fluye el agua para cada elemento. En principio, esto puede parecer una tarea trivial, pero en la prctica resulta muy difcil. En esencia, el medio a travs del cual fluye el agua es desconocido. Es difcil identificar la distribucin espacial (y profundidad) de los parmetros de flujo, tales como la conductividad hidrulica que describe cmo fcilmente el agua se mueve a travs de un medio como el suelo o roca. La escorrenta estimada por los modelos suele ser muy sensible a estos parmetros, e incluso un pequeo cambio producir un gran cambio en la escorrenta. No es factible para medir estos parmetros en todas partes de una cuenca, incluso en una cuenca de investigacin, y mucho menos en las aplicaciones rutinarias necesarias en la gestin de los recursos hdricos, en donde casi siempre hay estrictas limitaciones de recursos y tiempo. En segundo lugar, incluso si hemos sido capaces de caracterizar los parmetros tales como la conductividad hidrulica y la rugosidad para cada pxel dentro de una cuenca, los recursos computacionales actualmente no nos permiten usar efectivamente los elementos de clculo a escala de laboratorio - se necesitaran al menos un billn de elementos para una cuenca de inters prctico. Debido a esto, los elementos o bloques de construccin de modelos hidrolgicos distribuidos basados en procesos son generalmente mucho ms grandes, a las menos decenas de metros. Esto conduce al problema de la cuantificacin de los procesos de flujo dentro de tales elementos, es decir, cmo parametrizar los efectos de la variabilidad de la subcuadrcula. Esta parametrizacin no es muy bien entendida tampoco. Fenmenos de flujo preferencial pueden conducir a la dinmica del flujo que es muy diferente de aquellos en la escala de laboratorio. En tercer lugar, muchos de los procesos de control de escorrenta de la

cuenca son de hecho procesos no fsicos, sino procesos qumicos y biolgicos. Por ejemplo, los procesos qumicos del suelo pueden afectar fuertemente las caractersticas de infiltracin. Actividad biolgica de lombrices de tierra y las plantas puede alterar considerablemente la conductividad hidrulica. Interacciones corriente acufero a menudo son controladas por la actividad biolgica en su interfaz y transpiracin es, por supuesto, un proceso biolgico conducido. As, mientras que los procesos de flujo propiamente son fenmenos fsicos, estn controlados por muchos otros procesos que no pueden cuantificarse mediante la fsica newtoniana. Debido a estos problemas, los modelos hidrolgicos basados en procesos distribuidos a menudo tienden a producir resultados sesgados cuando se aplica a las cuencas reales. Para reducir el sesgo en las predicciones de escorrenta, por lo menos algunos de los parmetros de modelo deben ser calibrados a los datos de escorrenta. Sin embargo, esto por supuesto no es posible en cuencas no aforadas. Por lo tanto, una serie de mtodos alternativos se han desarrollado y han sido los mtodos de eleccin en aplicaciones prcticas durante mucho tiempo. Estas alternativas incluyen el uso de datos de escorrenta de las cuencas aforadas en una regin, y los modelos de cuencas no aforadas que construyen en gran medida de estos datos de escorrenta. Estos pueden ser modelos estadsticos o modelos simples de proceso de una especie conceptual, sin recurrir a la fsica newtoniana. Sin embargo, estos modelos se centran en la nocin de similitud entre las cuencas no aforadas y aforadas. Estos tipos de modelos reconocen que, a pesar de que no existen datos de escorrenta en la cuenca de inters, existen datos de escorrenta en otras cuencas, de forma similar, y estos se pueden transferir de alguna manera en el espacio para ayudar a hacer predicciones de escorrenta en las cuencas no aforadas.

1.3. La fragmentacin en hidrologa.

Debido a que los modelos hidrolgicos basados en procesos distribuidos no son el nico mtodo de hacer predicciones de escorrenta en cuencas no aforadas, una pltora de otros mtodos se han desarrollado que se basa en la nocin de similitud. No hay un mtodo estndar de las predicciones de escorrenta en cuencas no aforadas, en lugar hay literalmente cientos de diferentes mtodos. Se diferencian por su modelo de estructura, sus parmetros, y por las entradas que utilizan. Tambin difieren en qu procesos que representan. Dependiendo de los entornos, el papel relativo de los procesos de la nieve, los procesos de generacin de escorrenta y los procesos de transpiracin puede ser diferente, al igual que los factores que los controlan. Algunas de las diferencias entre los modelos estn directamente relacionadas con las diferencias en las caractersticas climticas y de captacin. Adems, histricamente, hidrlogos han tenido menos incentivos a los investigadores de otras disciplinas de las ciencias de la tierra para colaborar con colegas de todo el mundo, ya que la superficie terrestre est organizada en cuencas separadas, y hay poco intercambio de agua a travs de ellos. A diferencia de la meteorologa, por ejemplo, una sola cuenca puede ser estudiada con mucho xito en el aislamiento. Como hidrlogos no tenemos un solo objeto de estudio, como, por ejemplo, un fsico que estudia la estructura de un tomo en particular. Todos los fsicos de todo el mundo pueden estudiar el tomo de hidrgeno y los modelos que vienen con relacionarse con el mismo objeto comn - un tomo de hidrgeno. En contraste, cada grupo de investigacin hidrolgica en todo el mundo est estudiando un objeto diferente, es decir, una cuenca diferente con diferentes caractersticas de respuesta. Esta es una diferencia fundamental de que la hidrologa debe afrontar. Todos estos factores, en

conjunto, han contribuido a la fragmentacin de la hidrologa en los distintos niveles. Procesos: Los diferentes procesos en la hidrologa a menudo han sido tratados por separado, y por lo tanto a menudo hidrlogos han analizado las caractersticas del flujo en diferentes escalas de tiempo de manera independiente. El rendimiento anual de agua se estudia por lo general de forma independiente de los conocimientos de los bajos caudales de la cuenca de inters; inundaciones se estudian a menudo independientemente del conocimiento de los patrones de flujo de temporada dentro de las cuencas; y curvas de caudales se estudian por separado. Hay una conexin ms profunda entre estos procesos? Lo que se necesita es un tratamiento simultneo de estos procesos en diferentes escalas de tiempo. Lugares: Como cada grupo de investigacin ha tendido a analizar sus propias cuencas, durante los aos una gran comprensin de los procesos de escorrenta se ha desarrollado para los lugares individuales, pero esta transferencia a otros lugares ha sido difcil. Modelos a menudo estn hechos a medida para una captacin particular y es difcil a la razn por qu una estructura de modelo en particular o los parmetros del modelo se debe preferir sobre los dems. Diferentes escuelas de pensamiento han desarrollado sus propios mtodos favoritos para distintos ambientes y efectos, por ejemplo, estadsticos versus mtodos causales o fsicamente basado en comparacin con modelos conceptuales. Generalizacin de los resultados de los modelos funcionan tan bien y por eso ha sido muy difcil. Escalas: Investigacin ha llevado a cabo sobre una gran variedad de escalas y conectarlos ha causado enormes dificultades. Esto se conoce como el problema de la escala en hidrologa (Blschl y Sivapalan, 1995). Cuando upscaling ecuaciones de infiltracin a escala de laboratorio a la escala de captacin, supuestos deben hacerse sobre

la variabilidad natural hidrolgica y cmo est organizada (Blschl, 2001). Del mismo modo, enrutamiento ecuaciones en una escala de parcela pueden diferir de aquellos en la escala de geomorfologa. Esta situacin se ha agravado por el espectro de disciplinas involucradas, incluyendo ingenieros, gelogos, cientficos del suelo y meteorlogos, cada uno de ellos con diferentes visiones del mundo de en qu escalas procesos debera ser conceptualizado. Los libros de texto actuales sobre la hidrologa propagan la misma visin fragmentada de la hidrologa, organizado por el proceso, y escrito en forma de recetas, por ejemplo, diez frmulas diferentes para estimar la infiltracin, la evaporacin potencial, y as sucesivamente. La situacin es anloga a literalmente "una cacofona de ruidos... no una meloda armoniosa '(Sivapalan, 1997; Sivapalan et al, 2003b.). Esta fragmentacin puede ser mejor ilustrado por la famosa leyenda india de los 'seis ciegos y el elefante ". Al tocar diferentes partes del cuerpo de un elefante, estos hombres ciegos estn tratando de averiguar por s mismos lo que un elefante puede ser similar, pero no tienen otra forma de "ver" la misma. Cada uno de ellos intenta hacer inferencias sobre el elefante tocando una parte del cuerpo del elefante: parece como un muro al hombre ciego que toca al lado del elefante, una lanza para aquel que siente el colmillo, una serpiente a quien maneja el tronco, un rbol al que se siente la pierna, un ventilador para quien toque la oreja y una cuerda a quien toque la cola (Figura 1.3).

Figura 1.3. La fragmentacin en hidrologa: similar a los seis hombres ciegos, un enfoque

fragmentado de la hidrologa hace difcil ver el patrn completo de los procesos de captacin. De Sivapalan et al. (2003b), Jason Hunt. Las experiencias e interpretaciones de los seis hombres ciegos son diferentes, lo que hace difcil para ellos para idear un entendimiento colectivo y ponerse de acuerdo sobre la verdadera naturaleza de la bestia estn tratando de 'visualizar'. Un verso de John Godfrey Saxe (1816 87) versin de esta famosa leyenda India resalta claramente esta confusin: Y por lo que estos hombres de Indostn Disputado en voz alta y larga, Cada uno en su propia opinin Exceder rgido y fuerte, Aunque cada uno estaba en parte en la derecha, Y todos estaban equivocados! Tal vez la hidrologa de captacin est en un estado similar. Al igual que los seis hombres ciegos, hidrlogos tambin son a menudo parte de la derecha, pero siguen sin captar la imagen integral de la cuenca, el objeto de su estudio. Hay una necesidad clara y urgente de desarrollar una visin unificada de la hidrologa a escala de cuenca que supera las limitaciones que surgen de sus puntos de vista estrechos. Lo que se necesita es una sntesis que ayuda a ampliar sus perspectivas, y para ir ms all de lo que se percibe por un investigador o grupo de particulares.

1.4. La prediccin en la iniciativa cuencas no aforadas: una respuesta al desafo de la fragmentacin.

Hace aproximadamente una dcada, una nueva iniciativa mundial fue lanzada por la comunidad hidrolgica, bajo los auspicios de la Asociacin Internacional de Ciencias Hidrolgicas (AICH). Llamado Prediccin en cuencas no aforadas (PUB), una de las motivaciones de esta iniciativa popular fue superar la fragmentacin en la hidrologa de la cuenca (Sivapalan et al, 2003b;. SSG,

2003). La idea era reunir a la comunidad cientfica en conjunto para utilizar PUB para avanzar en la comprensin colectiva en hidrologa, al igual que los seis hombres ciegos en la leyenda de la India podran haber unido sus fuerzas para iluminar a s mismos sobre el elefante a buscar la sabidura de otras fuentes. La iniciativa PUB se ha guiado por una serie de principios generales para ayudar a alcanzar sus objetivos (Figura 1.4). En primer lugar, la iniciativa fue de los procesos hidrolgicos reales en cuencas reales, que abarca una multitud de procesos, lugares y escalas. Si el progreso real era que se har en la superacin de la fragmentacin, una poblacin diversa de captaciones reales en diferentes regiones y en diferentes escalas tuvo que ser examinada. Una amplia gama de procesos y una amplia gama de datos y enfoques tuvieron que ser trados juntos, todo se centra en el problema de la ciencia comn de predicciones en cuencas no aforadas. Al hacer diferentes cuencas y mtodos comparables, el objetivo era sintetizar los conocimientos existentes y crear nuevos conocimientos, y de esta manera ayudar a mejorar las capacidades de prediccin y reducir la incertidumbre. La comparabilidad de lugares diversos, mtodos y aplicaciones se consider la clave para la unificacin o la sntesis necesaria para superar la fragmentacin y avanzar fundamental en hidrologa. Era claro, pues, que para superar la fragmentacin de la comunidad tuvo que ser reunido. Por ello, la iniciativa PUB fue diseado como una comunidad global esfuerzo, de hecho un movimiento de base, que consiste en una red de cientficos de todo el mundo, e inclusivo de todos los intereses. Un balance de los investigadores interesados en la investigacin bsica, as como en lo que es de utilidad inmediata se consider valioso, como para cualquier otra faceta relevante de la prediccin problema. Los beneficios que se pueden obtener son claras: una mayor coherencia de la agenda de la ciencia, la

coordinacin de las actividades de investigacin y un estmulo para la emocin de la investigacin hidrolgica. La iniciativa PUB ha sido un esfuerzo verdaderamente internacional, con los contribuyentes de todos los continentes se centra en el tema de las predicciones en cuencas no aforadas, dando lugar a una red de cientficos interesados. Durante la ltima dcada, la iniciativa PUB AICH ha sido el catalizador de una serie de actividades de investigacin organizados en torno a seis temas transversales, y ejecutado a travs de un gran nmero de grupos nacionales, regionales y mundiales PUB trabajo. Estos temas PUB son: (i) la similitud de captacin y clasificacin, (ii) la conceptualizacin de la heterogeneidad del proceso, (iii) el diagnstico de anlisis de la incertidumbre y el modelo, (iv) los enfoques de recopilacin de nuevos datos, (v) nueva teora hidrolgico y (vi) la nueva modelizacin enfoques. Estos temas se reflejan en el frontispicio de este libro, y ocupan un lugar destacado en la gua de buenas prcticas PUB que aparece en el Captulo 13 Recomendaciones). Las actividades de investigacin PUB han contribuido sustancialmente a la literatura, lo que lleva a avances significativos en los diversos programas de PUB. El trabajo en este libro tambin desarroll como un esfuerzo de la comunidad y refleja todos los principios que han sustentado la iniciativa PUB (Figura 1.4). El libro en s es un resultado de una necesidad fuertemente sentida de sintetizar el estado del arte de la prediccin en las cuencas no aforadas, y para llevar a cabo una evaluacin del rendimiento comparativo de una serie de mtodos de prediccin que se utiliza para las distintas firmas de escorrenta. Puesto que el libro se centra en una sntesis de los mtodos de prediccin actuales, no es posible que pueda hacer justicia a las enormes contribuciones de la gama de actividades que se han llevado a cabo en cada uno de los seis temas PUB. Sin embargo, mientras que el libro es una contribucin a la PUB por derecho propio, su

organizacin general se ha inspirado en los conceptos y la claridad de pensamiento engendrada por la iniciativa PUB. En particular, los seis temas PUB se reflejan en el libro de una manera transversal, y los resultados reflejan el progreso que se ha

logrado en los ltimos 10 aos hacia la mejora de las predicciones en cuencas no aforadas.

Figura 1.4. Principios rectores del Plan de Ciencia PUB, SSG (2003), p. 47.

Principios rectores Detrs PUB Ciencia y Plan de Implementacin Una serie de principios clave, naturalmente, surgen de los objetivos generales de la comunidad presentados antes, y han guiado el desarrollo del plan de la ciencia y la aplicacin de PUB. Agradecimiento especial a Dunne (1998) por la inspiracin que proporciona.

En vista de sus obligaciones sociales, PUB se centrar en los fenmenos hidrolgicos reales, tales como inundaciones, sequas, la eutrofizacin de las aguas receptoras, la degradacin de los ecosistemas naturales, los efectos de la variabilidad climtica y el cambio y / o uso de la tierra, etc. (despus de Dunne, 1998*);

Al ser esencialmente una iniciativa cientfica, PUB buscar principalmente para avanzar en los conocimientos fundamentales de los procesos hidrolgicos, incluso hasta el punto de ir ms all del problema inmediato la resolucin de las necesidades o el inters de la comunidad de la actualidad (despus de Dunne, 1998*);

PUB constantemente centrar la atencin en lo que no se conoce, de hecho, habr obtener energa a partir de sus propias incertidumbres, haciendo hincapi en la necesidad de una exploracin emprica y los intentos explcitos para validar o falsificar nuevas ideas (despus de Dunne, 1998*);

PUB enfatiza el aprendizaje a partir de datos de las cuencas seleccionadas en diferentes biomas o regiones hidro-climticas, lo que demuestra el valor de los datos y la necesidad de requisitos de datos futuros, y no debe ser visto como una alternativa a la recoleccin de datos;

PUB ser obligatoriamente ser autocrtico, e incluir en su interior un elemento fuerte centrado en la evaluacin continua de su propio progreso, con la incertidumbre de prediccin se utiliza como medida de progreso (despus de Dunne, 1998*);

PUB es necesariamente integradora, evitar e incluso superar la fragmentacin de los enfoques que ha asolado la hidrologa en el pasado, y ms bien se buscar la convergencia de una variedad de enfoques hacia objetivos comunes, tambin se benefician de las perspectivas laterales en ciencias auxiliares (despus de Dunne, 1998*);

Desarrollar un sistema de prediccin hidrolgica que es capaz de evaluar los errores o la incertidumbre en las predicciones del modelo, la cuantificacin de las diferentes fuentes de la incertidumbre - estimaciones de los parmetros, los insumos climticas y estructura del modelo - y limitar estas incertidumbres, haciendo el mejor uso de la informacin disponible de otra sitios y de los programas de medicin aplicados en el sitio de inters.

*Dunne, T. (1998). Conferencia Wolman: la ciencia hidrolgica...en paisajes....en un

planeta... en el futuro. En: Ciencia Hidrolgica: balance y Mirando hacia el futuro, National

Academy Press, Washington, DC, 138P.

1.5. Lo que este libro pretende lograr: la sntesis a travs de procesos, lugares y escalas

Este libro est dedicado especficamente a la prediccin de la escorrenta en cuencas no aforadas, es decir, en aquellos lugares donde no se dispone de datos de escorrenta. Se evaluar, en una amplia, objetiva, abierta y transparente, el estado de las predicciones hidrolgicas en la ausencia de datos, e identificar cules son los retos de prediccin del futuro. Se cumplir esta evaluacin a travs de una sntesis a travs de procesos, lugares y escalas, como una respuesta al desafo de la fragmentacin en la hidrologa de captacin. De esta manera, se esforzar para reunir a la investigacin sobre las predicciones de escorrenta en cuencas no aforadas que ha sido hasta ahora dispares. Uno de los objetivos de la sntesis propuesto es poner fin a lo que de otro modo se parece a desorden, para identificar las conexiones donde no la haba, y de esta manera generar nuevas ideas y nuevos enfoques para avanzar en la ciencia de la hidrologa, y mejorar la prctica de predicciones hidrolgicas. Hay tres niveles de sntesis se persiguen en este libro (Blschl, 2006), como se describe a continuacin. 1.5.1. Sntesis travs de procesos Parece que los hidrlogos, hasta ahora, muy a menudo han mirado procesos de escorrenta individuales en aislamiento. Parece probable que exista una conexin entre las inundaciones y flujos bajos, entre el comportamiento a largo plazo de las cuencas y su comportamiento a corto plazo. La filosofa adoptada en este libro es que las cuencas son similares a organismos enteros o ecosistemas. Las diferentes partes se conectan porque ellos mismos son el resultado de las interacciones de procesos y evaluaciones a travs de una amplia gama de escalas de tiempo, del segundo de los procesos de salpicadura en la superficie de la tierra a miles de aos de procesos de

evolucin del paisaje. Mientras que las partes individuales del sistema pueden ser estudiadas de forma aislada con un xito considerable, an ms se puede avanzar de manera integral si tambin se estudiaron las interacciones de las partes. Si las cuencas son vistas como algo similar a los organismos, entonces no es quizs tambin una analoga con la forma de estudiarlos para entender cmo funcionan los organismos. Un mdico tiene muchas opciones diferentes para estudiar el estado y el funcionamiento de un paciente: tomar el pulso, el control de la respiracin, ordenar exmenes de sangre y as sucesivamente. En ltima instancia, sin embargo, el mdico no est interesado en una lectura particular, digamos, la presin arterial por s solo, sino en lo que la combinacin de todos estos diversos elementos de informacin revela acerca de la salud del paciente. Al igual que con el ejemplo mdico, la idea de este libro es para diagnosticar las cuencas de varias maneras diferentes de entender su estado y funcionamiento (Figura 1.5).

Figura 1.5. Sntesis travs de procesos mediante el diagnstico de captacin funcionando a travs de firmas de escorrenta. Parcialmente basado en disco volador et al. (2011). En el caso de las cuencas, tomando el pulso, la respiracin y la comprobacin de que hacen anlisis de sangre sern anlogas a la exploracin de las diferentes caractersticas de la variabilidad de la escorrenta, lo que en este libro definimos como firmas de escorrenta. Les llamamos 'firmas' para

reflejar el hecho de que son el resultado del funcionamiento de la misma cuenca 'organismo' y por lo tanto revelan algn aspecto de su estado y dinmica interna. En este sentido, las firmas son los patrones de respuesta. Emergen como sistemas de captacin complejas se desarrollan a travs de la co-evolucin del clima, los suelos, la vegetacin y la topografa en paisajes naturales. Este es un importante punto de partida de su tratamiento previo en la literatura. Este punto es explotado de una manera importante en el captulo 2, como marco para la sntesis adoptada en este libro. Las firmas son de curso complementario, al igual que las pruebas mdicas en un ser humano son complementarios. Ellos representan diferentes vistas de la dinmica interna y manifestaciones externas del mismo organismo de captacin, y para que puedan ser usados para construir una imagen compuesta del funcionamiento del sistema. Las firmas son, por tanto, un vehculo clave para la sntesis que queremos lograr. En este libro las firmas de escorrenta son vistas de una manera tal que la variabilidad de la escorrenta puede ser dividido en varios componentes, cada uno de ellos una manifestacin de funcionamiento de captacin, aunque en diferentes escalas de tiempo, y cada uno de ellos significativo y representativo de una determinada clase de aplicaciones de relevancia social.

Escorrenta anual es un reflejo de la competicin de agua y energa a escala de cuenca en la interaccin de clima, la vegetacin y los suelos.

Escurrimiento estacional tambin refleja la interaccin entre el agua y la disponibilidad de energa, pero adems de almacenamiento de captacin se vuelve muy importante y cambia el carcter de la escorrenta.

Curva de duracin de flujo es la funcin de distribucin de la escorrenta que se forma una firma ms compleja vinculacin de los procesos a corto plazo y largo plazo.

Bajos flujos son el resultado de la interaccin entre la dinmica del clima con la geologa, en los procesos de persistencia y largo plazo son de importancia clave.

Las inundaciones son un reflejo de los procesos de captacin en la parte superior extrema y el resultado de la interaccin de clima, suelos, topografa y la geologa de una manera muy dinmica.

Hidrogrmas son el complejo resultado de todos estos procesos y son la firma ms detallada de cmo se comporta una cuenca.

Se reconoce en este libro que estas diferentes firmas de escorrenta necesitan ser mirado simultneamente y de una manera consistente, de manera similar a cmo un mdico examina a un paciente desde diferentes perspectivas al mismo tiempo y de una manera consistente. Por tanto, un tratamiento consistente y coherente de estas firmas es una de las piedras angulares de este libro. 1.5.2. Sntesis travs de lugares La superacin de la fragmentacin en lugares es particularmente difcil, ya que las cuencas son de hecho tremendamente diferentes. El enfoque adoptado en este libro de sintetizar a travs de los lugares se basa en la nocin de similitud. Como tema central en todo el libro, esta nocin de similitud hidrolgica se utiliza para comparar las diferentes cuencas y unidades de paisaje, de aprender de sus similitudes y diferencias. Nos fijamos en diferentes lugares al mismo tiempo. Una vez ms, la

analoga con el mdico es apropiado en este caso. La profesin mdica tiene dos opciones para entender la condicin mdica de un paciente, cmo la condicin se puede deducir de sntomas particulares, para predecir la evolucin futura de la salud de esa persona y para decidir sobre cualquier tratamiento. La primera opcin es buscar en este paciente en particular con mucho detalle, incluyendo biopsia o ciruga, para identificar con exactitud la causa de los sntomas. La segunda opcin es poner en comn los resultados de muchos pacientes y aprender de sus historias clnicas. El paso crucial es entonces para transferir el conocimiento obtenido del gran grupo de personas a la persona particular que se trata. Cada ser humano es diferente, pero hay muchas caractersticas comunes. Los mdicos piscina juntos la informacin de muchas personas y analizar las diferencias y las similitudes. Cmo va a evolucionar el cncer para un estado dado del cuerpo? Claramente, los mdicos recurrirn a las historias clnicas de miles de pacientes en todo el mundo para hacer una prediccin para ese paciente en particular. Las dos opciones son complementarias, y la profesin mdica ha adoptado una combinacin de estos dos enfoques desde que la profesin se organiz, si no antes. Hidrologa podra operar de una manera similar. Podramos agrupar la informacin en muchas cuencas juntas, y analizar sus diferencias y similitudes. Cmo va a evolucionar el escurrimiento de un determinado estado de la cuenca? Claramente, un camino viable hacia la sntesis es recurrir a las historias clnicas de miles de cuencas de todo el mundo para hacer una prediccin para una cuenca en particular. La similitud es la base de esta sntesis, y por lo tanto es un tema clave del libro. Similitud Hidrolgica ayudar a poner orden en la cacofona actual de los procesos de captacin, modelos y configuraciones de datos que acosan a la ciencia de hoy en da.

Por lo tanto, la similitud es el vehculo natural para organizar la sntesis a fin de ayudar a la comprensin holstica de los procesos hidrolgicos en todas partes. Similitud Hidrolgica tambin ayudar a la prediccin de la escorrenta en cuencas no aforadas, ya que puede ayudar a explotar el conocimiento de los procesos hidrolgicos en varios niveles de detalle. Para ayudar con las predicciones, por lo tanto tenemos que aprender de lo que todo el mundo ha aprendido de todo el mundo, y un fondo comn de la sabidura y la experiencia de muchos pases y la diversidad de enfoques. El concepto de similitud hace diferentes lugares comparables, y de esta manera ayuda a la generalizacin del conocimiento obtenido de una cuenca a la comprensin colectiva de las diferentes cuencas funcionan bajo diferentes condiciones. Se reconoce en este libro que una parte sumamente importante de la sntesis a travs de lugares, por lo tanto es una evaluacin comparativa de lo bien diferentes mtodos para predicciones de escorrenta en cuencas no aforadas trabajan. Por lo tanto, otra de las piedras angulares de este libro una evaluacin consistente y coherente del funcionamiento de los mtodos es.

1.5.3. Sntesis a travs de escalas Los procesos hidrolgicos ocurren en todas las escalas, desde el flujo de agua microscpica en los poros del suelo a las interacciones a escala mundial de la humedad del suelo y el clima. En consecuencia, el anlisis hidrolgico se ha realizado en muchas escalas, desde el laboratorio a la escala global. El objetivo de este libro es predecir la escorrenta a escala de cuenca. Esto necesariamente implica la integracin a travs de escalas espaciales de alguna manera. Hay dos estrategias para abordar este problema de escala para ayudar a hacer predicciones de escorrenta. El primero es el enfoque hacia arriba o

mecanicista. Se basa en gran medida de los experimentos de laboratorio y consiste en una ampliacin de la escala a la escala de cuenca, a menudo, los enfoques de modelado distribuidos espacialmente explcitos. Si bien los controles causales pueden ser analizados muy bien por este enfoque, es difcil para representar toda la captacin escala interacciones de proceso. El segundo es el enfoque hacia abajo o integral. Se basa en gran medida de la conducta observada a escala de cuenca, a menudo basada en mtodos estadsticos agrupados o modelos lluvia-escorrenta conceptual. Si bien este tipo de enfoques tienen la capacidad de capturar las interacciones de procesos a escala de cuenca - si esta informacin es representada en los datos - puede ser muy difcil identificar la causalidad. Los dos enfoques normalmente se ocupan de cuestiones de escala en diferentes maneras. Por ejemplo, en el enfoque mecanicista ascendente de modelado lluvia-escorrenta, las precipitaciones punto medido se distribuye a travs de las cuencas y luego enruta de forma explcita a travs de laderas ya lo largo de la red de corriente para obtener picos de inundacin de las cuencas de diferentes tamaos. En cambio, en el enfoque estadstico a la baja de anlisis de frecuencia de inundacin regional una relacin de escala suele establecerse entre el pico de inundaciones y rea de influencia que encarna todos los procesos de una manera holstica. En ambos mtodos, en la prctica, los parmetros del modelo se calibran por lo general de alguna manera con el fin de reducir el sesgo. Los sesgos tienden a cambiar de forma significativa con la ubicacin, pero no suelen cambiar mucho durante las escalas de tiempo que nos interesan porque gran parte del sesgo se relaciona con las caractersticas del subsuelo desconocidos. Por lo tanto, calibracin tiene el potencial de aumentar la precisin de las predicciones de escorrenta. Sin embargo, es evidente que si uno calibra los parmetros

para compensar la verdadera incertidumbre, esto es probable que sea una "solucin rpida", lo que puede poner en peligro el realismo fsica del modelo y por lo tanto su capacidad de prediccin en cuencas no aforadas. Este libro tiene una visin que trasciende cualquier enfoque particular. No asumimos la primaca de cualquiera de los dos enfoques de prediccin. Por supuesto, si la informacin hidrolgica llegara a estar disponible en todas partes y todo el tiempo, se prefiere el enfoque ascendente. Pero nunca lo es. De hecho, esta es la razn de ser ofrecida por el enfoque hacia abajo. Consideramos que los procesos de escorrenta como los patrones espacio-temporales de la variabilidad hidrolgica. Cualquier enfoque es una representacin aproximada de esta variabilidad. La organizacin de las cuencas en una red de arroyos deja una huella en la respuesta de la escorrenta, convirtindolos en entidades organizadas, y el objetivo de las predicciones de escorrenta es conectar el proceso para el patrn. Cada uno de los dos enfoques se conecta proceso y el patrn de diferentes maneras. En el libro, por lo tanto estamos incluidos todos estos enfoques. En nuestra opinin ponderada estos enfoques deben ser comparados tanto en trminos de sus caractersticas y en trminos de su desempeo cuando se aplica a las cuencas reales de todo el mundo. A medida que los mtodos tienen diferentes fortalezas y debilidades, la eleccin del mtodo es un tema interesante e importante, y habr muchos casos donde puede ser aconsejable utilizar mtodos que combinan las fortalezas de ambos enfoques y minimizar sus debilidades.

1.6. Cmo leer el libro y lo que debe

salir de ella? Cmo es la sntesis a travs de procesos, lugares y escalas refleja en la organizacin del libro? Sntesis largo de estos tres ejes de

hecho ha sido el principio rector en la estructuracin del libro. Sntesis travs de procesos se refleja en la forma en que el libro se organiza en torno a las firmas de escorrenta. Cada uno de los captulos 5 a 10 se ocupa de la firma una segunda vuelta - de la escorrenta anual a hidrogramas de escorrenta. El comn de la estructura de cada captulo reconoce que las firmas tienen causas comunes en la forma de captacin funcionan hidrolgicamente. Las firmas son simplemente diferentes manifestaciones de la misma gama de procesos de captacin, por lo que un tratamiento coherente y consistente contribuye a una sntesis entre procesos. Sntesis travs de lugares se refleja en la forma en que la similitud hidrolgica es uno de los temas recurrentes del libro, tambin refleja uno de los temas PUB clave (es decir, la similitud de captacin y clasificacin). Similitud Hidrolgica aparece de forma explcita en los captulos 5-10 como un vehculo para promover el entendimiento y las predicciones, a travs de su papel en la regionalizacin de los modelos y parmetros. Similitud Hidrolgica tambin aparece explcitamente en la evaluacin comparativa de los resultados de las predicciones de escorrenta en cuencas no aforadas en todo el mundo en cada uno de estos seis captulos. Sntesis a travs de escalas se refleja en el hecho de que los mtodos estadsticos y mtodos basados en procesos se tratan de una manera constante a travs de los captulos 5 a 10. Los mtodos estadsticos y los mtodos basados en procesos representan diferentes enfoques para hacer frente a los problemas de escala que surgen en la prediccin de la escorrenta en no aforadas cuencas. Mtodos estadsticos generalmente son representaciones de parmetros concentrados o holsticas de todo el sistema de captacin, o muchas cuencas, con base en el comportamiento observado a escala de cuenca. Por tanto, son tpicamente representante del enfoque hacia

abajo. Mtodos basados en el proceso, por el contrario, son los mtodos mecanicistas basados en una comprensin causal del flujo de agua en el proceso de escala, y por lo tanto ms representativo del enfoque ascendente. Una estructura comn en estos captulos se ha adoptado para la comparabilidad de los mtodos estadsticos y basados en procesos, que pueden ayudar en la comprensin de las similitudes y diferencias en cmo salvar las escalas. Gran parte de lo que controla la escorrenta es en el subsuelo, por lo que la comprensin de estas vas de flujo y procesos relacionados con el almacenamiento es particularmente importante para las predicciones en cuencas no aforadas. Los captulos 5 a 10 son los principales captulos del libro, cada uno de ellos se trata de una firma de escorrenta. La estructura de cada captulo es casi idntico, donde se destacan primero las necesidades prcticas de la firma particular y su relevancia social; en la siguiente seccin, las interacciones de procesos que sustentan la firma son revisados, incluyendo cmo estos pueden ser utilizados para definir la similitud hidrolgica. Las siguientes dos secciones revisan los mtodos estadsticos y basados en procesos de predicciones en cuencas no aforadas (que reflejan el tema PUB de nuevos mtodos de modelizacin). Una vez ms, siempre que sea posible y razonable, se organizan los tipos de mtodos de una manera similar en todos los captulos. Los captulos 5 y 10, todo est cerca, con una evaluacin comparativa de los resultados de los mtodos de predicciones de escorrenta en cuencas no aforadas en todo el mundo, basadas tanto en una revisin de la literatura y en el anlisis comparativo dedicado de numerosos conjuntos de datos que sostuvieron muchos de estos estudios histricos. La evaluacin del desempeo se lleva a cabo a travs de una validacin cruzada de las predicciones del modelo en ms de 20 000 zonas de captacin, lo que representa una medida de la incertidumbre predictiva: refleja el tema PUB centrado en el

anlisis de la incertidumbre y el modelo diagnsticos. Captulo 11 contiene varios estudios de casos de todo el mundo. El propsito aqu es destacar la relevancia social de las predicciones en cuencas no aforadas en diferentes contextos, y para demostrar que muchos de los mtodos presentados en el libro en realidad trabajar con fines que son importantes para la sociedad. Por ltimo, el captulo 12 sintetiza las conclusiones de los captulos anteriores, y se compromete una sntesis nivel an ms alto para generar profundas conclusiones e implicaciones para la ciencia hidrolgica, y las recomendaciones para la prctica hidrolgica, que se resumen en el captulo 13.

2. La prediccin de inundaciones en cuencas no aforadas.

2.1. Qu tan alto ser el diluvio?

Las inundaciones son uno de los temas sociales ms candentes que tiene que enfrentar la hidrologa de las cuencas. Prdidas econmicas relacionadas con las inundaciones han aumentado dramticamente en las ltimas dcadas en la mayor parte del mundo, y el nmero de vctimas mortales de las inundaciones ha aumentado en algunos continentes (Di Baldassarre et al., 2010). Las inundaciones estn dando forma a los patrones de la conducta humana en muchas maneras. Riesgo de inundacin es un factor importante que controla los patrones de asentamiento cerca de los ros. Gran parte de la infraestructura de cerca de los arroyos es susceptible a daos por inundaciones de una forma u otra y las inundaciones pueden alterar la movilidad y el medio de vida. Mientras que las inundaciones son a menudo slo vistos desde una perspectiva de los

daos y la destruccin que pueden desempear un papel esencial en los ecosistemas. En los humedales de los ros, por ejemplo, inundaciones regulares sustenta la dinmica de la humedad del suelo y el agua subterrnea necesaria para el funcionamiento del ecosistema. Por lo tanto, se necesitan predicciones de inundaciones para una amplia variedad de propsitos sociales. La gestin del riesgo de inundacin integrada (por ejemplo, la Unin Europea, 2007) tiene por objeto la coordinacin de los distintos objetivos de gestin relacionados con las inundaciones. Parte del plan de gestin es el diseo prudente de la infraestructura que implica el diseo de aliviaderos de presas, puentes, alcantarillas de carreteras y diques. Residencial zonificacin rea, gestin de llanura de inundacin y el diseo urbano son otros aspectos importantes de la gestin integrada de crecidas. Para todos estos fines se necesita conocer el nivel de agua de la inundacin o el escurrimiento de inundacin que puede ocurrir con una probabilidad dada. Este captulo se centra en la prediccin de inundaciones en las cuencas no aforadas. En el contexto de esta prediccin de inundaciones libro se define como la estimacin de la escorrenta de las inundaciones y la probabilidad de excedencia asociada en un punto futuro desconocido en el tiempo, en contraposicin a la prediccin de crecidas en tiempo real donde se toman las previsiones para el futuro inmediato. La atencin se centra en las inundaciones de los ros provocados por las fuertes lluvias, a veces en asociacin con el deshielo, pero las inundaciones de violacin de presas, las inundaciones de mermelada de hielo e inundaciones debido a otros procesos no estn reguladas por el presente captulo. Una de las maneras que la humanidad ha aprendido a vivir con las inundaciones es entender la gravedad de las inundaciones en trminos de la frecuencia o probabilidad de inundaciones. Hidrologa entonces necesita

comprender el riesgo de eventos raros o extremos y factor de riesgo en los anlisis costo-beneficio de las decisiones de la ingeniera. Por lo tanto, la cantidad de inters en la estimacin de inundacin es la magnitud de la inundacin (normalmente inundacin escorrenta en un punto particular en un ro, o la etapa correspondiente o el nivel de agua) para un periodo de retorno especificado (tambin llamado intervalo de recurrencia promedio). Un ejemplo es la supuesta inundacin de 100 aos, la magnitud de la inundacin anual mxima que ser superada, en promedio, una vez en 100 aos; dicho de otro modo, hay una probabilidad de 1% en un ao que la inundacin ms grande del ao ser superior a la magnitud de 100 aos. La eleccin del periodo de retorno en circunstancias especficas depende de la sociedad del riesgo est dispuesta a aceptar y es generalmente decidida sobre la base de anlisis de consenso o costo-beneficio. Por ejemplo, un periodo de retorno inferior podra ser aceptado para el diseo de un desage de aguas pluviales que para el diseo de un vertedor de la presa, ya que el dao potencial es menor en el caso anterior. Este captulo est particularmente preocupado con la curva de frecuencia de inundaciones. Desde la perspectiva de la variabilidad de la escorrenta, la curva de frecuencia de inundacin es una distribucin de valores extremos que se encuentra en la larga cola de la distribucin de todos los picos de las inundaciones que pueden ocurrir en la cuenca. Se construye mediante el trazado de la frecuencia de una inundacin (en trminos de periodo de retorno) en contra de su escurrimiento. Las inundaciones son un subconjunto de todo el espectro de la variabilidad escorrenta experimentado en la cuenca, como se refleja en el hidrograma completo. A pesar de esta caracterstica nica de representar a los extremos, la curva de frecuencia de inundaciones refleja el resultado neto de las interacciones entre la variabilidad de las precipitaciones, la

vegetacin, los suelos y la geologa, que a su vez se relacionan con los procesos hidrolgicos climticos y paisajsticos. Las inundaciones son, por tanto, estrechamente relacionados con las otras firmas de escorrenta se tratan en este libro, en particular la escorrenta anual (Captulo 5), lo que refleja el comportamiento promedio del sistema de captacin, y la escorrenta estacional (Captulo 6), lo que refleja la variabilidad de dentro-ao precipitacin, la nieve y la humedad del suelo. Las inundaciones son evidentes en la curva de caudales (captulo 7) y en todo el hidrograma (captulo 10), y comparten algunas similitudes con flujos bajos, ya que son los dos extremos de escorrenta (captulo 8). Estas conexiones pueden ayudar a mejorar las predicciones de inundaciones, y ayudar a las predicciones anticipadas en general a travs de la comprensin mejorada que se genera.

2.2. Inundaciones: procesos y similitud Lo que hace dos cuencas similares en trminos de frecuencias de inundacin? La figura 9.1 muestra las inundaciones en dos cuencas en diferentes partes del mundo, junto con sus curvas de frecuencia de inundaciones. En el ro Trisanna in Tirol, Austria (Figura 9.1 arriba), los picos de escorrenta mximos anuales, representados como crculos abiertos en la grfica, tener valores entre 0,1 y 0,4 (m3 / s) / km2, con la excepcin de un evento. El evento agosto 2005 fue el ms alto de inundacin en el registro (que se muestra en la imagen) y tena un caudal especfico de 0,73 (m3 / s) / km2. En el ro de Ohio (Figura 9.1 inferior) las descargas especficas observadas son siempre inferiores a 0,1 (m3 / s) / km2. Incluso el evento abril de 2011 (se muestra en la foto), que fue una de las inundaciones ms perjudiciales en los EE.UU. en el siglo pasado, slo tena un caudal especfico de 0,068 (m3 / s) / km2.

JoseResaltado

Figura 9.1. Fotos comparativas y curvas de frecuencia de inundaciones. (Arriba) 2005 inundacin del Trisanna en Kappl Nederle, Austria (zona de 385 km2, altitud mediana de 2300 m snm); (abajo) 2011 inundacin del Ohio en Metropolis, EE.UU. (zona de 526 000 km2, la mediana elevacin 84 m snm). Distribucin de valor extremo generalizado instalado en las inundaciones mximos anuales por un mtodo bayesiano. El sombreado gris representa los intervalos de confianza de 50% a 99,9%. Fotos: (arriba) ASI / Tierra Tirol / B. H. Landeck; (abajo) B. Dodson.

Desde un punto de vista hidrolgico, es de inters para entender por qu los picos de escorrenta especficas en la cuenca austraca son mucho ms altos que los de la cuenca EE.UU. Adems, la variabilidad de los eventos de escorrenta pico observado en la Trisanna es mayor que en los EE.UU. (coeficiente de variacin de 0,5 y 0,2 respectivamente). Esto se traduce en una curva de frecuencia de inundaciones ms pronunciada para la Trisanna, y una curva de frecuencia de crecidas ms plano para el ro Ohio. Es interesante explorar estas diferencias en trminos de los procesos causales que determinan las curvas de frecuencia de inundaciones.

2.2.1. Procesos Forzamiento climtico: Las inundaciones pueden ser generadas por una serie de procesos relacionados con precipitaciones extremas. Dependiendo de las condiciones meteorolgicas, lluvias extremas puede ser producido por las tormentas convectivas, donde una fuerte corriente ascendente de aire clido y hmedo debido a los efectos de flotabilidad en la atmsfera a menudo se produce por la radiacin fuerte. Estas tormentas suelen cubrir pequeas escalas espaciales de unos pocos kilmetros, una duracin de unas pocas horas o menos, y pueden alcanzar intensidades muy altas. Las precipitaciones tambin se puede producir por

mecanismos atmosfricos a gran escala debido a la elevacin dinmica o efectos orogrficos (eventos sinpticos). Esta precipitacin por lo general cubre escalas espaciales ms grandes y tiene una duracin ms larga, aunque las intensidades pueden ser ms bajos. Adveccin de aire hmedo del mar es extremadamente importante en diversos mbitos, por ejemplo, Francia, y en particular en las regiones tropicales o subtropicales donde se producen ciclones (por ejemplo, Hirschboeck, 1987 (Gaume et al., 2002); Casa y Hirschboeck, 1997). Las inundaciones tambin pueden ser producidas por el deshielo en las regiones fras y lluvia en eventos de nieve (Waylen y Woo, 1982; Stedinger et al., 1993; Sui y Koehler, 2011; Merz y Blschl, 2003). La curva de frecuencia de inundacin es el efecto combinado de la variabilidad de las precipitaciones en muchas escalas de tiempo y las interacciones con la dinmica del paisaje, en particular, los procesos de humedad del suelo y de la nieve (por ejemplo, Robinson y Sivapalan, 1997b;. Sivapalan et al, 2005). Procesos de inundacin son a menudo estacionales, es decir, las inundaciones no se producen en todos los meses con la misma probabilidad. En varias partes del mundo de la estacionalidad climtica es fuerte, y hay diferencias significativas entre las diferentes regiones a causa de las diferencias en la estacionalidad. La interaccin entre los procesos atmosfricos y el estado de captacin (humedad del suelo y la nieve) se ilustra en la Figura 9.2 para los Alpes y los Crpatos en Europa. En la parte norte de los Alpes los mximos de precipitacin anual normalmente se producen en julio y agosto (flechas en la Figura 9.2 arriba, hacia la izquierda) y ms cerca de la precipitacin extrema mediterrnea se produce ms tarde en la temporada. El momento de las inundaciones (Figura 9.2 abajo), sin

embargo, puede ser diferente del de la precipitacin extrema. En las sierras esto se debe a los procesos de nieve. Por ejemplo, incluso si existen octubre precipitaciones mximas, los mximos de inundacin puede agrupar alrededor de junio y julio debido al deshielo. En las tierras bajas esto se debe a la interaccin de la humedad del suelo con lluvias extremas. Por ejemplo, incluso si hay julio precipitaciones mximas, los mximos de inundacin pueden ocurrir en diciembre y enero, cuando la humedad del suelo es mayor en las cuencas debido a la baja evaporacin. No slo hay a menudo considerable variabilidad intra-anual de las lluvias y las inundaciones, sino tambin interanual (por ejemplo, El Nio y La Nia variabilidad), e incluso la variabilidad inter-decadal (por ejemplo, el Inter-decadal del Pacfico Oscilacin (IPO), Decadal del Pacfico Oscilacin etc.) de precipitacin, todo lo cual puede afectar la forma de la curva de frecuencia de inundacin. Figura 9.3a presenta las curvas de frecuencia de inundaciones en el este de Australia en virtud de las condiciones de El Nio y La Nia, junto con los 90% de los lmites de confianza asociados (Kiem et al., 2003). Mucho ms alto riesgo de inundacin se asocia con episodios de La Nia en oposicin a El Nio. En la Figura 9.3b las curvas de frecuencia de inundaciones se muestran para OPI negativo (

Figura 9.2. La estacionalidad de la precipitacin mxima diaria anual (superior) y la mxima inundacin anual (inferior) en Europa Central en el perodo 1961-2000, que muestra la fuerza de la estacionalidad (colores) y la temporada de maxima (direcciones). La fuerza estacionalidad es dbil si se producen los eventos de manera uniforme a lo largo del ao; es fuerte si se producen todos los mximos en el mismo periodo del ao. De Parajka et al. (2010a). IPO representa riesgo de inundacin ms elevada en el este de Australia. Dependiendo de la regin hay una serie de procesos relacionados con el clima que modulan la variabilidad de la precipitacin interanual (Kundzewicz, 2012), incluyendo la humedad del suelo, y el almacenamiento de nieve y se funden (Parajka et al, 2010;.. Blschl et al, 2012).

Figura 9.3. Curvas de frecuencia de inundaciones regionales en Nueva Gales del Sur, Australia, con 90% de los lmites de confianza (discontinua). RI es, para cada ao, el promedio regional de la segunda vuelta de inundaciones normalizado por su medio a largo plazo. (a) Las inundaciones en condiciones de El Nio y La Nia; (b) las inundaciones durante negativo (~ 1946-

1976) y el Inter-decenales no negativo fases del Pacfico oscilacin (~ 1924-1943, 1979-1997). De Kiem et al. (2003). La generacin de escorrenta: La lluvia y la nieve derretida corre fuera de la superficie de la tierra o se infiltran en el suelo a travs de una variedad de mecanismos, incluyendo el exceso de infiltracin, el exceso de saturacin y flujo subsuperficial (vanse los captulos 4 y 10). Los mecanismos que implican trayectorias de flujo de superficie, tales como el exceso de infiltracin y el exceso de saturacin de producir una respuesta rpida, mientras que los mecanismos que implican trayectorias de flujo bajo la superficie, en general, producen una respuesta relativamente lenta, y sin embargo, puede tener un impacto significativo en la forma de la curva de frecuencia de inundaciones (Samuel y Sivapalan, 2008). El mecanismo que opera en una cuenca especfica o durante un evento especfico depende de la intensidad de la lluvia y la profundidad, los suelos, la vegetacin y la topografa y en especial sobre la humedad antecedente de la cuenca, lo que refleja un traspaso o la memoria de los eventos anteriores. El efecto de la humedad antecedente en la curva de frecuencia de inundaciones puede ser significativo (Wood, 1976; Komma et al., 2007). En las regiones ridas donde el exceso de infiltracin de la escorrenta a menudo domina, la humedad del suelo antecedente tiende a ser sobre todo al azar. Por otra parte, en muchas cuencas de todo el mundo que tienen una fuerte estacionalidad en el forzamiento climtico, por ejemplo, los climas hmedos o templados en Europa o Amrica del Norte, y en las cuencas mediterrneas del sur de Europa, Australia Occidental, y el oeste de EE.UU., antecedentes exposiciones de humedad del suelo un fuerte (sistemtica) componente estacional, y se ha demostrado que tienen un impacto significativo en la curva de

frecuencia de inundaciones (por ejemplo, Sivapalan et al., 2005). En algunas partes de Australia occidental, las inundaciones con un periodo de retorno de menos de 10 aos son tpicamente las inundaciones de invierno, mientras que las inundaciones con un perodo de retorno ms largo de 30 aos tienden a ser las inundaciones de verano, a pesar de suelos generalmente ms secas en verano (Sivandran, 2002). Esto surge debido a diferentes mecanismos de eventos de lluvia que producen (eventos frontales en invierno, tormentas y ciclones tropicales en verano), y su interaccin con los diferentes procesos de inundacin que dominan en diferentes pocas del ao. La figura 9.4 muestra el efecto neto de la humedad del suelo en el momento de la curva de frecuencia de inundaciones. En el ro Abbay Gilgel, un afluente del Nilo Azul en Etiopa, mximos precipitaciones se producen en julio. La escorrenta se queda un poco atrs precipitaciones debido a los efectos de almacenamiento y las inundaciones ms grandes ocurren en agosto. Para el ro Thompson en Iowa, EE.UU., mximos precipitaciones ocurren entre junio y agosto y los picos de escorrenta mensual ocurre entre marzo y junio, es decir, a principios de debido a la mayor humedad del suelo en primavera debido al deshielo. Esta interaccin de las precipitaciones y la humedad del suelo producen un patrn de inundaciones sobre todo en mayo, pero las inundaciones ms grandes puede ocurrir ms adelante en la temporada, por ejemplo, septiembre. Esto se debe a la humedad del suelo antecedente ser menos importante si las profundidades de precipitaciones son muy grandes. Caractersticas de lluvia se vuelven cada vez ms importante como la magnitud de un evento aumenta, y las tormentas ms grandes ocurren en septiembre.

Figura 9.4. La estacionalidad de la escorrenta mensual (reas sombreadas), (lneas de trazos) de precipitacin y la frecuencia de inundaciones (puntos). (Arriba) Gilgel ro Abbay, Azul Nilo cerca Merawi, Etiopa (1.664 km); (parte inferior) del ro Thompson en Davis City, Iowa, EE.UU. (1.816 km). La intensidad de la precipitacin y la profundidad tienen un efecto muy fuerte sobre qu mecanismos operan durante un evento especfico. Precipitaciones bajos o moderados de intensidad con una duracin ms larga en general tienden a producir flujo subsuperficial y la saturacin de flujo superficial del exceso, mientras que los eventos de alta intensidad tienden a favorecer la infiltracin exceso de escorrenta. Dos o ms mecanismos pueden operar en diferentes partes de la misma cuenca de captacin durante el mismo evento. Alternativamente, diferentes mecanismos pueden dominar durante diferentes eventos. Con el aumento de la intensidad o profundidad evento que va ms all de un umbral, puede haber un cambio de exceso de saturacin a la infiltracin exceso de escorrenta, o de flujo subsuperficial a la saturacin (almacenamiento) exceso, y

ambos pueden reflejarse en un aumento repentino de la escorrenta en la curva de frecuencia de inundaciones (Sivapalan et al., 1990; Samuel y Sivapalan, 2008;. Gioia et al, 2008). Histricamente, estos fuertes incrementos a menudo han sido tratados como valores extremos, sino una interpretacin en trminos de los procesos de generacin de inundaciones pueden ser ms perspicaz. Esto se ilustra en la Figura 9.5 para una cuenca de los Alpes en Austria. La figura muestra las diferentes reas que contribuyen a la escorrenta superficial rpida para eventos de diferentes magnitudes. Durante los eventos ms pequeos (eventos 1 y 2) slo muy pocas reas contribuyen a la escorrenta superficial directa, tales como reas selladas y rocas. Como la magnitud evento aumenta las reas que contribuyen expanden, provocando la no linealidad marcada en la curva de frecuencia de inundacin.

Figura 9.5. La generacin de escorrenta en la cuenca Weerbach, Alpine Austria. (Derecha) reas que contribuyen a la escorrenta superficial rpida para eventos de diferentes magnitudes (1, baja magnitud a 5, de alta magnitud). El rea contribuye porcentaje se da entre parntesis. El color azul indica las reas contribuye al escurrimiento superficial; colores se relacionan con diferentes unidades de respuesta hidrolgica. (Izquierda) La curva de frecuencia de inundacin simulada con estos eventos indic muestra no linealidad debido a un cambio de los procesos. De Rogger et al. (2012a). En caso de grandes magnitudes que las indicadas, las curvas de frecuencia de inundaciones aplanan fuera. En este ejemplo, hay un umbral que controla la forma en la curva de frecuencia de inundacin relacionada con la capacidad de almacenamiento de la cuenca de captacin. En otros escenarios hidrolgicos, los diferentes procesos de umbral pueden ocurrir (por ejemplo, Zehe y Sivapalan, 2009; Struthers y Sivapalan, 2007) que pueden producir no linealidades similares o cambios de paso en la curva de frecuencia de inundaciones, sobre todo si las cuencas son pequeas. Enrutamiento escorrenta: La escorrenta que se genera localmente fluye por la superficie oa travs del subsuelo de las laderas a las corrientes. Estos procesos de enrutamiento escorrenta reflejan el almacenamiento temporal de aguas de lluvia en su paso a cualquier punto especfico en la red fluvial (incluyendo la salida de la cuenca), y la competencia entre la tasa de generacin de escorrenta y la velocidad de liberacin

escorrenta de la cuenca. Ellos determinan la forma del hidrograma de crecida y por lo tanto el pico de la inundacin. Enrutamiento de escorrenta se ve afectada por dos factores principales: (i) el tamao y la forma de la cuenca y la topologa de la red fluvial. Estos determinan la distribucin de las distancias que el agua tiene que viajar para llegar a la salida; (ii) la rugosidad y la pendiente de la superficie terrestre, el suelo hidrulico propiedades, hidrogeologa y propiedades de la seccin transversal del canal del ro (es decir, la geometra hidrulica) a travs de la red fluvial. Estas juntas determinan las velocidades de flujo en los diferentes vas de agua se necesita para alcanzar la salida. Un factor clave que determina la magnitud del pico de inundacin es la escala relativa de tiempo de la duracin de la tormenta y, al mismo tiempo, el tiempo de respuesta media de la cuenca de captacin. Esta interaccin puede dar lugar a la resonancia (Robinson y Sivapalan, 1997a b,; Blschl y Sivapalan, 1997). Las mayores inundaciones se producen a menudo por

las tormentas con duraciones similares al tiempo de respuesta de la cuenca de captacin (Viglione y Blschl, 2009c), que es la base de muchos mtodos de estimacin de inundacin de diseo, tales como el mtodo racional (vase la Seccin 9.4). Esto conduce a un efecto de escala: en las cuencas donde los tiempos de respuesta son cortos, las inundaciones ms grandes son producidas por las tormentas de corta duracin. Por el contrario, en las cuencas con tiempos de respuesta largos las inundaciones ms grandes son producidas por largas tormentas duracin. A pesar de que este es generalmente el caso, otros factores pueden modular este comportamiento, tales como mltiples tormentas y la estacionalidad de la humedad del suelo, que pueden producir muy diferentes trayectorias de flujo y por lo tanto los tiempos de respuesta en diferentes partes del ao (Sivapalan, 2005). Cambio: impactos humanos: Hay pocas corrientes de todo el mundo que no cuentan con algn tipo de modificacin, por actividad humana. Uso de la tierra modificaciones (por ejemplo, la deforestacin, la construccin de carreteras, edificios y otras infraestructuras) afectan la generacin de escorrenta y enrutamiento en toda la cuenca. Consecuencias comnmente citadas de desarrollo urbano incluyen la reduccin de los tiempos de respuesta de captacin combinados con el aumento de los volmenes de escorrenta, como resultado de la introduccin de las superficies impermeables y sistemas de drenaje ms eficaces. El efecto neto de estos cambios en la escorrenta de tormenta es un aumento de la escorrenta mxima. En particular, esto se observa a menudo para las inundaciones ms pequeos, mientras que las inundaciones ms grandes son relativamente menos afectada (Hollis, 1975; Hundecha y

Brdossy, 2004). La construccin de estructuras de mitigacin de inundaciones, como las cuencas de retencin y polders en asociacin con desarrollos urbanos suele dar lugar a una reduccin del riesgo de inundaciones aguas abajo (Apel et al., 2004, 2006). Debido a su carcter local, los efectos del cambio del uso del suelo son ms importantes en pequeas cuencas (Blschl et al., 2007). Otra modificacin inducida por el hombre es el almacenamiento de agua en las presas para el riego, la produccin de energa hidroelctrica y otros usos del agua. El rgimen de inundacin de un gran nmero de ros de todo el mundo se ve afectada por las represas (Graf, 1999;. Nilsson et al, 2005). A modo de ejemplo, la Figura 9.6 (arriba) muestra el ro Clinch en Tennessee, EE.UU.. La presa de Norris fue construido en 1936 con una capacidad de almacenamiento de 3,1 km. Esto es similar a la magnitud de la escorrenta total anual del ro de 3,4 km. La construccin de la presa de Norris dio lugar a una reduccin muy significativa en los picos de las inundaciones, como se muestra en la Figura 9.6. Este cambio es claramente visible en las series de tiempo de las inundaciones, pero no es visible en la curva de frecuencia de inundaciones. Figura 9.6 (abajo) muestra el ro Yahagi en Iwazu, Japn. El Yahagi Dam, situado a 50 km aguas arriba del medidor, se instal en 1970. Su capacidad de almacenamiento es de 0.075 km y la escorrenta total anual del ro es de 1,4 km en el medidor de flujo. Las series de tiempo de inundacin indican que las inundaciones ms pequeos parecen haber disminuido, pero no hay un efecto aparente sobre las inundaciones ms grandes. En este caso los impactos antropognicos son menos evidentes en los registros de las inundaciones. Estos ejemplos ilustran tres puntos.

Figura 9.6. Escorrenta y las inundaciones frecuencias diarias mximas anuales. (Arriba) ro Clinch por debajo de la presa de Norris, Tennesee, EE.UU. (zona de influencia, 7.545 km2). La presa de Norris fue instalado en 1936 con una capacidad de almacenamiento de 3,1 km3. La escorrenta anual del ro es de 3,4 km3. (Abajo) ro Yahagi en Iwazu, Japn (Cuenca, 1356 km2). La presa de Yahagi se encuentra a 50 km aguas arriba del medidor y se instal en 1970 con una capacidad de almacenamiento 0.075 km. La escorrenta anual del ro es de 1,4 km3 en el medidor de flujo. : Asociacin Ro Japn, Ro de descarga Year Book, 1950-2010, cortesa de ICHARM. Construccin de curvas de frecuencia de inundaciones de no estacionario de series de tiempo de inundacin puede no ser significativa. En primer lugar, puede que no tenga sentido para la construccin de curvas de frecuencia de inundaciones a partir de datos de la inundacin no estacionarias, ya que, como se muestra en el ro Clinch, no es claro en cuanto a lo que la distribucin de los padres de las inundaciones se referira. En segundo lugar, es importante comprobar no slo la serie de tiempo de inundacin para cualquier no estacionalidades sino examinar tambin la presencia de estructuras hidrulicas y

otras actividades de recursos hdricos correspondientes a las inundaciones en la zona de captacin. En tercer lugar, la reduccin mxima de inundacin depende principalmente del volumen libre del depsito en relacin con el volumen de inundacin (Fitzhugh y Vogel, 2010), por lo que durante las inundaciones extremas de la capacidad del depsito libre puede ser agotado, dando lugar a muy poco de reduccin de pico e inesperadamente grandes inundaciones aguas abajo del

embalse (Blschl, 2008;. Salazar et al, 2012).

2.2.2. medidas de similitud Regionalizacin de la conducta de frecuencia de crecidas de medirse a cuencas no aforadas depende fundamentalmente de la nocin de similitud. Con respecto a la frecuencia de inundaciones, dos cuencas pueden ser consideradas como similares si sus curvas de frecuencia de inundaciones son similares en algunos aspectos derivados de la similitud en los procesos de generacin de inundacin. El enfoque ms bsico a la similitud es la proximidad espacial, es decir, suponiendo que las cuencas de captacin que estn cerca unos de otros se comportan de una manera hidrolgicamente similar (Merz y Blschl, 2005). La justificacin de este concepto es que los controles sobre la relacin lluvia-escorrenta tienden a variar sin problemas en el espacio, o son uniformes en regiones predefinidas. Merz y Blschl (2005) demostraron, en un estudio comparativo en Austria, que la proximidad espacial es significativamente mejor predictor de frecuencias de inundaciones regionales que cualquier otra caracterstica de captacin. Bates et al. (1998), en un estudio australiano, mostraron que supergrupos, que consiste en sitios dentro de regiones homogneas agregados que tienen respuestas de inundacin razonablemente similares, muestran un cierto grado de coherencia espacial. En el Reino Unido, Kjeldsen y Jones (2009, 2010) encontraron la proximidad geogrfica de las cuencas a ser un sustituto til para compensar la incapacidad de las caractersticas de la cuenca concentrados para explicar entre cuencas diferencias en la inundacin ndice observado. Hay medidas de similitud elaborados que se adopten en la prctica que cuenta de una manera ms detallada de los procesos de generacin de las inundaciones y las caractersticas de la escorrenta de inundaciones.

Similitud de escorrenta: Debido a los diferentes tamaos de captacin, dos cuencas pueden ser hidrolgicamente similares y todava tienen diferentes curvas de frecuencia de inundaciones. Las curvas de frecuencia de inundacin tal vez pueden ser similares en cuanto a su forma, pero no en trminos de sus magnitudes. Una forma de medir la similitud en el anlisis de frecuencia de crecidas regional que da cuenta de estas diferencias es escalar la curva de frecuencia de inundaciones por una inundacin ndice, que por lo general se toma como la media o la mediana de los picos de crecidas mximas anuales. Si las curvas de frecuencia de inundaciones escaladas (tambin llamados las curvas de crecimiento) son similares, a continuacin, las cuencas se consideran similares. En lugar de la curva de crecimiento (no paramtrica), tambin se puede evaluar la similitud comparando los momentos o los parmetros de la distribucin de frecuencias de inundaciones (Merz y Bschl, 2009b). El coeficiente de variacin (CV) de los picos de inundacin refleja la pendiente de la curva de crecimiento. El CV ha sido la medida de similitud ms utilizada en el anlisis de frecuencia de crecidas regional. Por ejemplo, el mtodo de inundacin ndice (vase la Seccin 9.3.2) funciona en el supuesto de CV constante dentro de una regin homognea. El coeficiente de asimetra es el momento de tercer orden y refleja la curvatura de la curva de frecuencia de inundacin. Se puede utilizar para definir las medidas de orden superior de similitud, que se convierten importante para capturar las distribuciones de frecuencia de inundacin ms complejas. Un nmero de estudios han demostrado evidencia de que el CV es en realidad dependiente de la escala y se refieren a un nmero de factores, dependiendo del contexto hidrolgico particular de la regin analizada. Por ejemplo, Smith (1992) present la dependencia escala de CV en la regin de los

Apalaches en el noreste de EE.UU., que mostr un aumento aparente de CV hasta aproximadamente 100 km2, y una disminucin posteriormente. Smith propuso explicaciones alternativas: errores en la corriente de medir vs. organizacin espacial de las precipitaciones extremas y los cambios posteriores en el canal del sistema / planicie de inundacin. Gupta y Dawdy (1995) sugieren una explicacin alternativa; en pequeas cuencas CV puede regirse por la respuesta de la cuenca y en gran escala por parte de la escala espacial de las precipitaciones. Robinson y Sivapalan (1997b) atribuyen la escalada de CV a los efectos combinados de las interacciones entre la duracin de la precipitacin y el tiempo de respuesta de captacin (que domina a pequea escala), y para la ampliacin de precipitacin con el tamao de captacin (que domina en gran escala). Blschl y Sivapalan (1997), utilizando datos de frecuencia extensas inundaciones en Austria, mostraron que la dependencia de escala confirm el papel de las interacciones de escala de tiempo, pero demostraron que la dependencia de la escala es el resultado combinado de varios factores. Una medida de similitud importante que ha recibido mucha atencin en los ltimos aos es la estacionalidad de las inundaciones (Merz et al., 1999; Jain y Lall, 2000; Petrow et al., 2007). El perodo medio en el ao en que se producen las inundaciones y cmo ese perodo variable se puede cuantificar por las estadsticas circulares (Mardia, 1972; Burn, 1997). Estos son los parmetros que se muestran en la Figura 9.2. Este ndice de estacionalidad se ha utilizado para identificar la similitud de inundacin a escala regional y de las cuencas de grupo en las regiones con los procesos de inundacin similares (Piock-Ellena et al., 1999; Castellarin et al, 2001;. Sivapalan et al, 2005;. Parajka et al., 2010a). La estacionalidad tambin se utiliza como un diagnstico en la estimacin manual UK Flood (IH, 1999). Tambin es interesante ver

si la estacionalidad de inundaciones cambia con las magnitudes de los eventos (Figura 9.4) y con el tiempo. Ambas dependencias pueden arrojar luz sobre los procesos de manejo de inundaciones y ayudar en la regionalizacin. Por ejemplo, Parajka et al. (2009a) encontr una tendencia hacia un aumento en las inundaciones de invierno debido a un clima ms clido en algunas partes de Europa Central. Este cambio fue ms pronunciado en las tierras bajas y las regiones montaosas que en las montaas. Similitud climtica: Similitud climtica en el contexto de las inundaciones se puede cuantificar por la similitud de lluvias extremas. La intensidad-duracin-frecuencia (FDI) curvas representan la distribucin acumulada de lluvias extremas para un intervalo de agregacin dado. La curva de frecuencia de inundaciones es una transformacin no lineal de la curva IDF para capturar los efectos de la generacin de escorrenta (por ejemplo, mediante la eleccin de un coeficiente de escorrenta que se corresponde con el perodo de retorno de inters) y de enrutamiento (por ejemplo, por la eleccin de una duracin tormenta que resuena con captacin tiempo medio de respuesta). Similitud climtico tambin se puede cuantificar por la estacionalidad de las lluvias extremas y por los patrones de circulacin atmosfrica (Petrow et al, 2007, 2009;. Parajka et al, 2010a.). Muchos estudios han demostrado que la precipitacin media anual es una excelente medida de similitud para la frecuencia de inundaciones (vase, por ejemplo, Madsen et al., 1997; Reed et al., 1999;. Merz et al, Merz y Blschl, 2008a, b, 2009b y referencias en el mismo). Un ejemplo se muestra en la Figura 9.7, donde tanto la inundacin anual media y la precipitacin media anual tienen una tendencia a disminuir de oeste a este.

Figura 9.7. Mapa de la escorrenta anual media de inundacin normaliz a un rea de captacin estndar de 100 km y la media de precipitacin anual para las regiones Kamp y Pulkau en el norte de Austria. De Merz y Blschl (2008b).

La parte oriental de la regin se diferencia de Occidente no slo en trminos de precipitacin, sino tambin en trminos de los suelos y la eficiencia de la red de drenaje. Por ejemplo, el evento de escorrenta promedio coeficientes en el oeste son alrededor de 0,25 mientras que son menos de 0,1 en el este. Por lo tanto, hay una serie de razones por precipitacin media anual es una medida de similitud til para la curva de frecuencia de inundaciones. En primer lugar, la precipitacin media anual es por lo general altamente correlacionada con la precipitacin de eventos, ya que es una medida agregada de los acontecimientos reales que se producen en la cuenca. En segundo lugar, la precipitacin media anual es un control importante de la humedad del suelo en la escala temporal, y la propia humedad del suelo es un importante control de inundaciones, en particular, si la saturacin de exceso de generacin de escorrenta domina, pero tambin es importante para otros mecanismos (por ejemplo, Zehe y Blschl , 2004). En tercer lugar, debido a la co-evolucin de clima, la vegetacin, los

suelos y las formas de relieve, a menudo existe una estrecha relacin entre el rgimen de lluvias y los suelos y relieve, que a su vez son controles importantes de las inundaciones en la escala de eventos (vase el Captulo 2 para una discusin de co-evolucin). Por lo tanto, la precipitacin media anual es de un ndice de similitud que puede capturar los resultados de captacin coevolucin relevante a las inundaciones. Similitud de Captacin: rea de captacin es una de las medidas de similitud ms importantes para una serie de razones. En el nivel bsico, los picos de las inundaciones sern ms grandes para las cuencas ms grandes, simplemente por el hecho de que el volumen total de precipitaciones es mayor. Por supuesto, esto ser moderado por la heterogeneidad de los procesos de precipitacin y escorrenta dentro de la cuenca. El aumento de rea de influencia conduce a una reduccin en la cantidad media de la precipitacin de la cuenca recibe. Esto es porque de lluvia tormentas pueden afectar slo una parte de las grandes cuencas, mientras que pueden afectar el rea completa de una pequea

cuenca. Debido a la relacin entre el rea de influencia y el tiempo de respuesta, aumentando el rea de influencia tambin conduce a una mayor atenuacin de los picos de las inundaciones. Las tasas de generacin de escorrenta tambin podran cambiar con el aumento de rea de influencia, debido a cambios en los procesos de escorrenta dominantes. Por ejemplo, las inundaciones anuales especficas medias (es decir, los picos de inundacin a escala de la cuenca) tienden a disminuir con el aumento de rea de captacin (Eaton et al., 2002), ya que es menos probable que las reas grandes estarn totalmente cubiertas por las tormentas de lluvia y tambin totalmente saturado (Viglione et al., 2010a, b). Por todas estas razones, el tamao de captacin es la razn principal por la que los picos de escorrenta especficas de la gran cuenca del ro Ohio (526 000 km2) (Figura 9.1) son mucho ms bajos que los de la pequea cuenca Trisanna (385 km2). Las pendientes de las dos curvas de frecuencia de inundaciones en la Figura 9.1 son muy diferentes. La pequea cuenca Trisanna tiene una curva de frecuencia de inundaciones ms pronunciado que el de Ohio. Como se discuti anteriormente, muchos autores han investigado la naturaleza de la escala del coeficiente de variacin de las inundaciones con zona (Smith, 1992; Gupta y Dawdy, 1995; Blschl y Sivapalan, 1997; Robinson y Sivapalan, 1997a;. Iacobellis et al, 2002) y han salido con diferentes interpretaciones. Tamao de la cuenca es de nuevo la principal razn de la mayor pendiente de la curva de frecuencia de inundaciones del Trisanna en comparacin con la del ro Ohio. Esto se debe a que, en un ao determinado, la probabilidad de un evento de lluvia extrema que golpea la pequea cuenca Trisanna es menor y hay una gran variabilidad y una curva de frecuencia de inundaciones empinada. Por el contrario, es ms probable que durante cualquier ao particular, una

parte de la gran captacin Ohio se ve afectada por un evento de lluvia intensa. Otras caractersticas de captacin que contribuyen a la similitud y diferencias en las curvas de frecuencia de inundacin incluyen las caractersticas del suelo y el uso del suelo. Una importante medida de similitud relacionados captacin-es la fraccin de la zona de captacin que se urbaniz. Este es un indicador de procesos de flujo de superficie, lo que aumentar los picos de inundacin. Caractersticas geomorfolgicas incluyen densidad de drenaje y la elevacin topogrfica. Figura 9.8 muestra fotografas e hidrogramas de crecida de las regiones Gurk y Buwe en Austria. La cuenca Gurk tiene una respuesta a las inundaciones humedecido mientras la cuenca Buwe es muy llamativa. Los tamaos de captacin no difieren mucho (432 y 184 km) y la precipitacin anual y la elevacin son tambin similares. Sin embargo, son diferentes en sus formas de relieve. El paisaje de la Gurk es montaosa, con fondos de los valles y colinas planas bien redondeados, mientras que el paisaje de la regin Buwe muestra canales profundamente incisas. Tambin son diferentes en los tipos de tormenta inundaciones que producen y la geologa. Los eventos de tormenta en la Gurk son principalmente sinptica, no es grande de almacenamiento debajo de la superficie (roca altamente permeable) y las trayectorias de flujo de superficie son tortuosos (Figura 9.8), lo que resulta en inundaciones humedecido. Debido a esto, hay poca erosin y el aumento de potencial para el desarrollo del suelo, que a su vez tiende a amortiguar respuesta a las inundaciones. Por otro lado, en la regin Buwe inundaciones son producidos por las tormentas convectivas con cobertura parcial de las cuencas de captacin y los suelos son poco profundos, lo que resulta en inundaciones. Debido a esto, hay una alta erosin, lo que reduce la profundidad del suelo y aumenta la eficiencia de la red de

drenaje, que a su vez tiende a aumentar la flashiness de respuesta a las inundaciones. Figura 2.3 (Captulo 2) ilustra los procesos involucrados. Este ejemplo de la hidrologa comparativa muestra que los patrones aparentes en el paisaje son en gran parte el resultado de la coevolucin de clima, la vegetacin, los suelos y relieve, y pueden dar poder predictivo a la similitud ndices tales como la densidad de drenaje que va ms all de las relaciones hidrulicas. Similitud Evento: Mientras que las medidas de similitud discutidos anteriormente se refieren a las caractersticas hidrolgicas del sistema de captacin en su conjunto, con el fin de entender por qu dos cuencas son similares en trminos de sus frecuencias de inundacin a menudo puede ser muy til para romper la similitud en los eventos individuales. Estos pueden ser utilizados para la regionalizacin en cuencas no aforadas. Una forma de enmarcar evento similitud en trminos del proceso de componente es por el marco de frecuencia de inundacin derivada, propuesto por Eagleson (1972), ms tarde generalizado por Wood (1976), seguido por Fiorentino y Iacobellis (2001), y ampliado por Sivapalan et al . (2005). Cada pico de inundacin independiente en la serie de datos completa es causada por un evento de precipitacin independiente. La relacin entre la precipitacin (caracterizado por la intensidad y duracin) y el pico de inundacin resultante implica dos tipos de transformaciones, es decir, la generacin de escorrenta y la escorrenta de enrutamiento, y stos se ven afectados por la humedad antecedente del suelo. Probabilidad entra en el cuadro por el hecho de que las caractersticas de eventos de precipitacin (por ejemplo, la intensidad de las precipitaciones y duracin) son aleatorios, y tambin lo es antecedente humedad del suelo. Anlisis de la distribucin derivada puede permitirnos

obtener analticamente (en casos sencillos), o de otra manera numrica, la funcin de distribucin acumulativa (CDF) de la poblacin de los picos de las inundaciones que se producen en una cuenca. La teora del valor extremo, sobre la base del nmero de eventos de inundacin dentro de un ao (o en el caso general, la distribucin desigual de eventos dentro del ao si son segn la temporada) nos permite derivar o estimar la distribucin de valores extremos y por lo tanto la (anual) curva de frecuencia de inundaciones (ver Sivapalan et al., 2005). El poder del enfoque de la frecuencia de inundaciones derivadas es que, de una manera mecanicista, que ayuda a aislar las distintas contribuciones a la curva de frecuencia de inundaciones, y por lo tanto tiene un considerable poder explicativo para analizar la similitud de comportamiento en frecuencia de inundaciones entre cuencas. Se han realizado varios esfuerzos en el desarrollo de un marco de este tipo de similitud, centrndose por separado en cada uno de los procesos componentes: el clima, la escorrenta de captacin y condiciones antecedentes. Sivapalan et al. (1987) desarroll una teora de similitud para la generacin de escorrenta, basado en un modelo de generacin de eventos de escorrenta que incorpora tanto el exceso de infiltracin y flujo superficial del exceso de saturacin. Identificaron cinco parmetros de similitud no dimensionales que representaban las interrelaciones de la top