Estudio de hidrología y recursos hídricos la paz. Autor Agua Sustentable, IHH. 2007 by Agua Sustentable

ESTUDIO DE HIDROLOGIA Y RECURSOS HIDRICOS

INSTITUTO DE HIDRAULICA E HIDROLOGIA

Jorge Molina Carpio Oswaldo Villarroel Daniel Espinoza Romero

La Paz - Febrero de 2007

CONTENIDO INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................................... 1 1.1 1.2

ANTECEDENTES Y OBJETIVOS .................................................................................................................. 1 ALCANCE ................................................................................................................................................ 2

EL AREA DE ESTUDIO ........................................................................................................................................ 4 2.1 2.2 2.4 2.4 2.5

EL MEDIO FÍSICO ............................................................................................................................... 4 HIDROGRAFÍA Y CALIDAD DE AGUAS ...................................................................................................... 6 GEOLOGÍA Y GEOMORFOLOGÍA ............................................................................................................... 9 CLIMA Y VEGETACIÓN ........................................................................................................................... 10 ASPECTOS SOCIOECONÓMICOS .............................................................................................................. 11

TRATAMIENTO DE LA INFORMACIÓN HIDROMÉTRICA..................................................................... 13 3.1 RED DE ESTACIONES HIDROMÉTRICAS DE LA CUENCA DEL RÍO MAURI Y BAJO DESAGUADERO ........... 13 3.1.1 División en cuencas y morfometría ................................................................................................. 16 3.2 METODOLOGÍA PARA EL ANÁLISIS Y TRATAMIENTO DE LA INFORMACIÓN HIDROMÉTRICA .................. 20 3.2.1 Análisis de la información hidrométrica básica.............................................................................. 22 3.2.2 Análisis de las series de cotas ......................................................................................................... 23 3.2.3 Elaboración de curvas de descarga a partir de aforos ................................................................... 23 3.2.4 Cálculo de caudales......................................................................................................................... 25 3.2.5 Análisis de consistencia................................................................................................................... 25 3.2.6 Relleno y completado de las series de caudales mensuales ............................................................ 26 3.3 RESULTADOS .................................................................................................................................... 28 ANÁLISIS DE LA PRECIPITACIÓN................................................................................................................ 31 4.1 4.2 4.3 4.3.1 4.3.2 4.4

CARACTERIZACIÓN REGIONAL................................................................................................... 31 INFORMACIÓN PLUVIOMÉTRICA............................................................................................................. 32 ANALISIS DE CALIDAD Y TRATAMIENTO DE LA INFORMACION....................................... 38 Análisis de consistencia, homogenización y regionalización de la precipitación........................... 38 Relleno y reconstitución estadística de datos pluviométricos ......................................................... 42 EVALUACIÓN ESPACIAL DE LA PRECIPITACIÓN...................................................................................... 47

EVAPOTRANSPIRACIÓN ................................................................................................................................. 50 5.1 5.1.1 5.1.2 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.3 5.4

MÉTODOS DE ESTIMACIÓN DE LA EVAPOTRANSPIRACIÓN POTENCIAL ............................................. 50 Evaporación en tanque .................................................................................................................... 50 Métodos indirectos .......................................................................................................................... 51 VARIABLES METEOROLÓGICAS .................................................................................................. 54 Temperatura media ambiente .......................................................................................................... 54 Humedad relativa ............................................................................................................................ 57 Vientos ............................................................................................................................................. 58 Radiación e insolación .................................................................................................................... 59 CÁLCULO DE LA ETP CON EL MÉTODO DE PENMAN............................................................................... 60 EVALUACIÓN ESPACIAL DE LA EVAPOTRANSPIRACIÓN POTENCIAL ....................................................... 65

OFERTA DE AGUA ............................................................................................................................................. 68 6.1 RELLENO Y COMPLETADO DE LAS SERIES DE CAUDALES MENSUALES......................... 68 6.1.1 Modelos hidrológicos ...................................................................................................................... 68 6.1.2 Modelos estadísticos........................................................................................................................ 72 6.2 OFERTA DE AGUA POR SUBCUENCAS ....................................................................................... 74 REFERENCIAS..................................................................................................................................................... 80 ANEXO I ................................................................................................................................................................ 81 ANEXO II............................................................................................................................................................... 96

LISTA DE FIGURAS 2.1: 2.2: 2.3: 2.4: 2.5: 2.6:

Las cuencas de la parte norte y central del Altiplano (sistema TDPS) La cuenca del río Mauri Relieve y altitud del área de estudio Red hidrográfica de la cuenca del río Mauri Subcuencas de afluentes principales del río Mauri Geología del área de estudio

3.1: La red de estaciones hidrométricas de la cuenca de los ríos Mauri y Bajo Desaguadero 3.2: Áreas de aporte de las principales estaciones hidrométricas de la cuenca del río Mauri 3.3: Periodo de registro de cotas limnimétricas en las estaciones bolivianas 3.4: Cambio de sección y efecto sobre curvas de descarga 3.5: Caudales promedio mensuales rellenados e históricos, estación Abaroa Caquena 3.6: Caudales promedio mensuales rellenados e históricos, estación Abaroa Mauri 3.7: Caudales promedio mensuales rellenados e históricos, estación Calacoto Mauri 3.8: Periodo de registro de caudales en las estaciones de las cuencas de los ríos Mauri y Desaguadero 4.1: Dirección de los vientos alisios en enero 4.2: Ubicación de estaciones pluviométricas 4.3: Ubicación de estaciones pluviométricas, Cuenca del río Mauri 4.4: Número de estaciones con datos disponibles, cuenca del Río Mauri (1960-2005) 4.5: Número de estaciones con datos disponibles, estaciones de apoyo (1960-2005) 4.6: Pluviograma medio mensual de estaciones pluviométricas de la cuenca del río Mauri (periodo 1960-2003) 4.7: Pluviograma medio mensual de estaciones pluviométricas de apoyo, 1960-2003, cuencas del río Desaguadero, Lago Titicaca, Salar de Coipasa y Lago Poopo) 4.8: Isoyetas anuales en la Cuenca del río Desaguadero y Lago Poopó, periodo 1960-2003 4.9: Mapa de isoyetas anuales en la cuenca del río Mauri, periodo 1960-2003 4.10: Precipitación media anual por subcuencas en mm, periodo 1960-2003, cuenca del río Mauri 4.11: Precipitación media mensual y anual por subcuencas en mm, periodo 1960-2003, cuenca del río Mauri 5.1: Estaciones meteorológicas con registros de temperatura 5.2: Temperatura media mensual en (ºC) en la cuenca del río Mauri 5.3: Mapa térmico de la cuenca del río Mauri, en función al MDE 5.4: Insolación mensual y anual (hr/día) 5.5: Estaciones meteorológicas con ETP calculada por Penman 5.5: Estaciones meteorológicas con ETP calculada por Penman 5.6: Evapotranspiración potencial en la cuenca del río Mauri 5.7: Evapotranspiración potencial en el área de estudio 5.8: ETP Penman vs Evaporación en tanque – Chuapalca y estaciones cercanas 5.9: ETP Penman vs Evaporación en tanque – Patacamaya y estaciones cercanas 5.10: ETP Penman vs Evaporación en tanque – Corque y estaciones cercanas

5.11: Mapa de isolíneas de ETP anual, periodo 1960-2003 5.12: ETP media mensual por subcuencas en mm 5.13: ETP media anual por subcuencas en mm, periodo 1960-2003 6.1: El modelo de Témez 6.2: Capacidad de almacenamiento del suelo Hmax en mm – cuenca del río Mauri 6.3: Número de curva CN - cuenca del río Mauri y Bajo Desaguadero 6.4: Caudales observados y simulados (m3/s) en Vilacota, periodo 1973 -83 6.5: Vector regional anual de las estaciones del río Desaguadero, 1965-05 6.6: Vector regional anual de las estaciones del río Mauri, 1965-05 6.7: Estaciones hidrométricas y subcuencas/intercuencas 6.8: Hidrogramas medios mensuales en estaciones de las cabeceras del río Mauri 6.9: Hidrogramas medios mensuales en estaciones de la Cuenca Alta del río Mauri 6.10: Hidrogramas medios mensuales en estaciones de la cuenca del río Caquena 6.11: Hidrogramas medios mensuales en Calacoto Mauri y estaciones sobre el río Desaguadero

LISTA DE TABLAS 3.1: Ubicación política e hidrográfica de las estaciones hidrométricas 3.2: Ubicación geográfica y registros disponibles en las estaciones hidrométricas 3.3: Parámetros morfométricos de la cuenca del Río Mauri 3.4: Caudales medios mensuales históricos (m3/s) en estaciones de la cuenca de los ríos Mauri y Bajo Desaguadero 4.1: Estaciones meteorológicas de la cuenca del Río Mauri 4.2: Estaciones meteorológicas de apoyo 4.3: Diagrama de barras de registros pluviométricos de la cuenca del río Mauri 4.4: Diagrama de barras de registros pluviométricos - estaciones de apoyo 4.5: Grupos regionales de precipitación en la cuenca Mauri-Desaguadero 4.6: Precipitación media mensual y anual (mm) en la cuenca del río Mauri, 1960-2003 4.7: Precipitación media mensual y anual (mm) en estaciones de apoyo, 1960-2003 4.8: Precipitación media mensual y anual en mm en subcuencas de la cuenca del río Mauri, periodo 1960-2003 5.1: Evaporación media en tanque, mensual y anual (mm) Estaciones meteorológicas de las cuencas de los ríos Mauri y Desaguadero 5.2: Radiación Solar Ro en el límite superior de la atmósfera (cal/cm2-día) 5.3: Medias mensuales de la duración astronómica del día N (horas) 5.4: Albedo α en función al tipo de suelo 5.5: Temperatura media ambiente mensual y anual en (ºC) 5.6: Temperatura media ambiente mensual y anual en (ºC) en estaciones de apoyo 5.7: Humedad relativa media mensual y anual en (%) 5.8: Velocidad media del viento mensual y anual (m/s) 5.9: Insolación mensual y anual (hr/día) 5.10: Evapotranspiración potencial media (mm), en base a datos de tanque 5.11: Evapotranspiración potencial media (mm) según Penman 5.12: ETP media mensual y anual por subcuencas en mm, periodo 1960-2003 6.1: Síntesis de variables y ecuaciones del modelo de Témez 6.2: Caudales medios mensuales en estaciones de la cuenca del río Mauri y Bajo Desaguadero, periodo 1965-2005 6.3: Caudal específico y lámina de escurrimiento anual en la cuenca del río Mauri, periodo 1965-05

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Capítulo 2 INTRODUCCIÓN 1.1

ANTECEDENTES Y OBJETIVOS

En junio de 2005 se inició el proyecto de investigación “Derechos de agua- Fase II”, bajo responsabilidad de la organización no gubernamental Agua Sustentable y el Instituto de Hidráulica e Hidrología de la UMSA, con financiamiento del IDRC de Canadá y en el marco del Comité para la Gestión Integral del Agua en Bolivia (CGIAB). El segundo componente de esa investigación es el de Aguas Internacionales. Este componente busca incidir en las políticas públicas mediante el estudio integral de una cuenca internacional donde se estén desarrollando procesos de negociación y donde la toma de decisiones sobre la gestión del agua se pueda sustentar con información confiable y transparente. Se eligió a la cuenca trinacional del río Mauri (Bolivia, Perú, Chile) como estudio de caso. Forma parte de la gran cuenca endorreica del Altiplano sudamericano. Varios proyectos de aprovechamiento y trasvase de las aguas de la cuenca del Mauri hacia la región costera del Pacífico han sido ejecutados y otros están planificados, con frecuencia sin tomar en cuenta a la población local. Excepto el sector chileno, el área de estudio forma parte del acuerdo entre Perú y Bolivia que crea la Autoridad Binacional del sistema hídrico, que incluye a la cuenca del lago Titicaca y cuyas aguas se rigen bajo un régimen de condominio. Los gobiernos de los dos países aceptan que cualquier extracción futura de agua en la cuenca del río Mauri debe analizarse y definirse tomando en cuenta sus impactos ambientales, los derechos de los usuarios aguas abajo y el derecho internacional. El componente Aguas Internacionales se inició formalmente en septiembre de 2005 y se planteó los siguientes logros: •

La Cancillería boliviana y los actores locales cuentan con una base de datos y un análisis integral de los efectos ambientales y sociales de los proyectos de extracción y aprovechamiento del agua en la cuenca del río Mauri, en base a los cuales se toman decisiones concertadas

•

Las negociaciones sobre el uso de aguas internacionales toman en cuenta a los usuarios y población afectada, quienes asumen posición en base a información confiable

•

Se han identificado y desarrollado los elementos clave del estudio de caso del río Mauri que pueden servir para la formulación de políticas de aguas internacionales y el análisis de otros casos de aguas compartidas

El conocimiento de la oferta de agua es importante para la gestión del recurso. Además de que la oferta representa el límite de la cantidad de agua que se puede utilizar en una cuenca, el conocimiento de su variación en el tiempo y espacio permite proyectar y planificar los programas y obras hidráulicas de regulación y aprovechamiento, así como servir de información de base para la evaluación de los impactos ambientales que puedan generarse como resultado de esos aprovechamientos. 1

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Para cumplir con los logros planteados, el alcance del componente incluye un estudio de hidrología y recursos hídricos en la cuenca del río Mauri y en el área de influencia correspondiente a la cuenca del río Bajo Desaguadero. El estudio de hidrología servirá de insumo a varios estudios posteriores y tiene los siguientes objetivos: •

Estimar la oferta de agua en diversos puntos y subcuencas de los ríos Mauri y Bajo Desaguadero, en forma de series mensuales de extensión y calidad suficientes para propósitos de gestión.

•

Evaluar diversos parámetros climáticos, como precipitación y evapotranspiración, que servirán a estudios posteriores, como los de demanda y gestión del agua.

•

Recopilar y evaluar toda la información meteorológica e hidrológica del área de proyecto, existente en los tres países, y consolidar esa información, así como la generada o validada por el estudio, en una base de datos

Tomando en cuenta las metas del proyecto y la revisión que se hizo de la información existente o disponible para los responsables del presente estudio, se definió que el estudio hidrológico determinase la oferta de agua en forma de series continuas de caudales mensuales, para periodos de varios años de duración. En el caso de las estaciones hidrométricas bolivianas, esto obligó a recopilar y tratar los datos hidrométricos existentes en el Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología (SENAMHI) a nivel diario, lo que al mismo tiempo fortalece la base de datos de esa institución. El alcance original contempla la aplicación de los modelos hidrológicos utilizados en la primera fase del proyecto para ampliar y generar series de caudales en las cuencas y subcuencas, así como la extensión de datos a cuencas no aforadas mediante conceptos de similitud hidrológica. 1.2

ALCANCE

El estudio hidrológico comprendió las siguientes actividades: • Recopilación de información climatológica e hidrométrica en Bolivia, Perú y Chile. • Recopilación y adquisición de información cartográfica • Análisis y tratamiento de la información climatológica, en particular pluviométrica y de los parámetros que intervienen en la estimación de la evapotranspiración. • Creación de una base de datos que consolida la información climatológica, a nivel mensual, de las estaciones existentes en la cuenca y su área de influencia • Análisis y tratamiento de los datos hidrométricos de seis estaciones bolivianas de las cuencas de los ríos Mauri y Bajo Desaguadero • Tratamiento de la información cartográfica y generación de nueva información (mapas temáticos) relevante para el estudio hidrológico • Integración y análisis de consistencia de los caudales obtenidos para todas las estaciones o puntos de control de la cuenca.

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• Creación de una base de datos hidrológicos que consolida toda la información hidrométrica disponible. • Aplicación de técnicas hidrológicas para la homogeneización, corrección y relleno de caudales en puntos de control. • Generación de series sintéticas en cuencas no aforadas. El presente informe está estructurado de la siguiente forma: El capítulo 1 de Introducción incluye los antecedentes, objetivos y alcance del estudio. El capítulo 2 presenta las características físicas y socioeconómicas del área de estudio. El capítulo 3 incluye la descripción y diagnóstico de la red hidrométrica, así como el tratamiento de las series históricas en las estaciones de Abaroa Mauri, Abaroa Caquena, Calacoto Mauri, Calacoto Desaguadero, Ulloma y Chuquiña, a nivel diario. El capítulo 4 presenta el tratamiento y análisis de la precipitación. El capítulo 5 describe el tratamiento y análisis de la evapotranspiración y de las variables meteorológicas asociadas: temperatura, humedad relativa, vientos y radiación solar. En el capítulo 6 se determina la oferta de agua en diversos puntos y subcuencas, en base al análisis y tratamiento de los datos contenidos en los tres capítulos anteriores. Incluye las series completadas y/o generadas de caudales mensuales para cada una de las cuencas y subcuencas estudiadas. Este capítulo incluye también un análisis de esos resultados.

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Capítulo 2 EL AREA DE ESTUDIO 2.1

EL MEDIO FÍSICO

La cuenca del Mauri forma parte de la cuenca del río Desaguadero, del que es su principal afluente. El río Desaguadero a su vez forma parte del sistema TDPS (Titicaca, Desaguadero, Poopó, Salares), que drena las aguas de la región del Altiplano central de Sudamérica. El Mauri nace en la cordillera occidental, en Perú, para luego ingresar a Bolivia. Sigue un curso oeste-este (figura 2.1), confluyendo con el Desaguadero en las cercanías de la población de Calacoto. Drena una subcuenca de 9802 km2 de extensión. Figura 2.1: Las cuencas de la parte norte y central del Altiplano (sistema TDPS)

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En la estación hidrométrica de Abaroa (figura. 2.2), próxima a la frontera y en territorio boliviano, el caudal medio del río Mauri es de 4.9 m3/s y el de su afluente, el río Caquena, es de 2.3 m3/s. Este último nace en el sector chileno de la cuenca. En su confluencia con el río Desaguadero, el Mauri tiene un caudal promedio de 15.2 m3/s, es decir un tercio del caudal del Desaguadero en ese punto y un quinto del caudal en Chuquiña, estación situada aguas abajo (circulo blanco al norte de Oruro en la figura 2.1). En años secos, como los del periodo 1967-72, la mayor parte del caudal del periodo de estiaje (junio-noviembre) del río Desaguadero puede provenir del Mauri Figura 2.2: La cuenca del río Mauri

Fuente: Elaboración propia

(Coordenadas UTM, PSAD 56, Zona 19 sur)

El río Mauri es un caso de especial interés. Si bien la población local no ha sido tomada en cuenta en los proyectos de aprovechamiento y no existe un plan de gestión integral de la cuenca, ésta forma parte del acuerdo entre Perú y Bolivia que crea la Autoridad Binacional del sistema hídrico, que incluye a la cuenca del lago Titicaca y cuyas aguas se rigen bajo un régimen de condominio. Para los gobiernos de los dos países y los actores involucrados, es evidente que cualquier extracción futura de agua en la cuenca del río Mauri debe analizarse y definirse tomando en cuenta sus impactos ambientales, los derechos de los usuarios aguas abajo y el derecho internacional.

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La cuenca abarca partes de los departamentos de Puno y Tacna en Perú, del departamento de La Paz en Bolivia y de la provincia de Parinacota en la I Región de Chile. La población es en su gran mayoría de origen aymará. La densidad poblacional es baja, aproximadamente 3 hab/km2. En el sector boliviano (provincia Pacajes) de la cuenca, la población era de 8892 habitantes el año 1992, que se estima se ha reducido en la actualidad, al tener una tasa negativa de crecimiento (ALT, 2003). No se tienen datos precisos de Chile. La tasa de analfabetismo está alrededor del 15%. La densidad poblacional es considerablemente más alta a lo largo del río Desaguadero aguas abajo de la confluencia con el Mauri. El relieve (ver figura 2.3, elaborada en base al modelo digital de elevaciones) está definido por la Cordillera Occidental al oeste y la planicie altiplánica al este. La Cordillera Occidental es volcánica y separa a la cuenca del Altiplano de las pequeñas cuencas costeras del Pacífico. La altitud varía desde los 5700 msnm hasta 3795 msnm en la cuenca del río Mauri. La altitud máxima en la cuenca del río Caquena es de 6300 msnm en los nevados de Parinacota. Figura 2.3: Relieve y altitud del área de estudio

Fuente: Elaboración propia en base a SRTM 2.2

HIDROGRAFÍA Y CALIDAD DE AGUAS

El río Mauri o Maure nace con el nombre de río Quilvire a 4800 m en el extremo noroeste de la cuenca (ver figura 2.4) y en territorio peruano, al pie del nevado Larjanco. Después de un corto recorrido ingresa a la laguna Vilacota, de la que es su principal afluente. Seis km más 6

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abajo del punto de salida de esa laguna, recibe por su margen izquierda al río Ancoaque, del que adopta el nombre por un trayecto corto. Cinco kilómetros y medio aguas abajo de la confluencia con el río Ancoaque, el río Mauri cruza la estación hidrométrica de Kovire, donde se encuentra la toma que deriva sus aguas hacia el sistema Aricota-Locumba de la cuenca costera del Pacífico. En el tramo entre Kovire y la confluencia con el río Chiliculco, el río recibe por su margen derecha el aporte de varios manantiales termales de origen volcánico, cuyas aguas tienen un alto contenido de boro y arsénico. El río Chiliculco ingresa por la margen izquierda a corta distancia de la estación hidrométrica de Challapalca. A continuación el río Mauri recibe por su margen derecha el aporte de algunos manantiales y cursos de agua, como la quebrada Mamuta y los ríos Kaño y Kallapuma. Algunos de ellos como el manantial de Copapujo, tienen un caudal importante y buena calidad de agua, pero otros, como el río Kallapuma, llevan aguas con alto contenido de boro y arsénico por el aporte de manantiales de origen volcánico. Figura 2.4: Red hidrográfica de la cuenca del río Mauri

Fuente: Elaboración propia

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Después de la confluencia con el Kallapuma, el río Mauri recibe al río Ancomarca por la margen izquierda, cruza el sector de Chuapalca, donde se tiene proyectado construir una represa, para luego cruzar la frontera peruano-boliviano. Apenas 1 km aguas abajo de la frontera, recibe por su margen izquierda al río Cusi Cusini y 30 km más abajo, en el sector de Abaroa, confluye con el río Caquena, que drena una cuenca más grande que la del río Mauri. El río Mauri continúa en dirección este siguiendo un curso encajonado, recibiendo varios cursos de agua, como los ríos Vilcapalca o Tiquerani, Chaullani y Muru Aramaya por la margen derecha y los ríos Kankavi y Nasani por la margen izquierda. Nueve kilómetros más abajo del puente Rosario, el río Mauri recibe a su afluente más importante, el río Achuta o Blanco, que drena una extensa cuenca de la margen derecha. Desde la confluencia con el río Blanco hasta la confluencia con el río Desaguadero en Calacoto, el río Mauri discurre por la planicie altiplánica siguiendo un curso de suave pendiente. Su cauce se hace muy ancho y poco profundo y las márgenes a ambos lados están sujetas al riesgo de inundaciones. La figura 2.5 muestra las superficies de las subcuencas de los principales afluentes del río Mauri. Figura 2.5: Subcuencas de afluentes principales del río Mauri

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A partir de la confluencia con el río Mauri, el río Desaguadero sufre cambios morfológicos significativos. Su pendiente aumenta con respecto al tramo aguas arriba de Calacoto, y con ello, su velocidad de flujo. Se observa también que el tamaño medio del material del cauce del río Desaguadero se incrementa, debido a los aportes de sedimentos más gruesos provenientes sobre todo del río Blanco. Aunque el contenido de sales de las aguas del Mauri es considerablemente menor (≈0.5 g/l) que las del Desaguadero en Calacoto (1.83 g/l), las aguas del Mauri presentan concentraciones altas de boro (30 mg/l) y arsénico (5 mg/l) en el sector peruano del río, de origen natural (por lixiviación). La presencia de esos elementos provoca que las aguas del Mauri no sean aptas para consumo humano o animal. Quintanilla et al (1995) también detectan concentraciones altas de arsénico (0.6 a 0.8 mg/l) en el sector del río Desaguadero aguas abajo de la confluencia con el Mauri (pero no aguas arriba), aguas que de todas maneras son usadas para riego. Aún cuando no se han identificado fuentes importantes de contaminación de origen antrópico, un estudio de calidad debe considerar esa posibilidad. 2.4

GEOLOGÍA Y GEOMORFOLOGÍA

La evolución estructural de la cuenca del Altiplano ha sido muy dinámica, con cambios asociados al clima y el vulcanismo. Durante el cuaternario, la evolución del altiplano estuvo ligada fundamentalmente a los cambios de clima. La alternancia de períodos húmedos y secos, cálidos y fríos, se asocia al desarrollo de lagos más grandes o más reducidos que los actuales según la época. A estas situaciones hidrológicas corresponden diferentes depósitos que van desde morrenas glaciares en las cordilleras, a sedimentos fluviales entre el pie de monte y la planicie, y a formaciones lacustres y evaporíticas en la parte central de la llanura altiplánica (ALT, 2001). La figura 2.6 muestra la litología del área de estudio. La Cordillera Occidental que forma el límite oeste del Altiplano y donde está situada la cuenca del río Mauri es volcánica. Se observa que en esta cuenca predominan rocas volcánicas, con pequeños sectores con presencia de depósitos cuaternarios no consolidados y al noreste, areniscas y arcillas. En cambio, a lo largo del río Desaguadero predominan depósitos cuaternarios. Desde el punto de vista geomorfológico, en la cuenca del río Mauri predominan las montañas volcánicas de formas redondeadas y las mesetas de lavas e ignimbritas. En cambio, a lo largo del río Desaguadero predominan las terrazas y llanuras fluvio-lacustres.

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Figura 2.6: Geología del área de estudio

Fuente: ALT, 2001 2.4

CLIMA Y VEGETACIÓN

En la región del Altiplano predominan condiciones semiáridas (la evapotranspiración potencial anual supera ampliamente a la precipitación) y un clima frío. La pluviometría media anual en la cuenca del río Mauri está en el rango de 300 a 500 mm/año. A lo largo del río Desaguadero aguas abajo de Calacoto, las lluvias son del orden de 300 a 400 mm/año. La variación interanual es muy grande y el riesgo de sequías es alto. En la zona con población humana de la cuenca del río Mauri, entre los 3800 y 4500 m, la temperatura media anual varía en el rango de 2 a 8° C, con valores máximos medios de 5 a 17° C y mínimos medios anuales de -10 a – 3° C. La principal variable que influye sobre la temperatura es la altitud. En las cumbres más altas, que superan los 6000 m, la temperatura media anual puede caer por debajo de -12° C. El gradiente térmico altitudinal está en el rango de 0.85 a 0.9° C por cada 100 m, un valor alto y por encima de la media regional. La evapotranspiración potencial (ETP) media en la cuenca del río Mauri está en el orden de 1100 a 1500 mm/año. A lo largo del río Desaguadero, la ETP medial anual es de 1300 a 1400 mm/año, pero en algunos sectores de la cuenca de este río alcanza valores de 1800 mm/año.

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De acuerdo al ALT (2001), por debajo de los 4500 m, la cuenca presenta una vegetación rala de pastos y arbustos altoandinos. Alrededor de varias cumbres existen bosques ralos de Polylepis. En varios sectores los afloramientos rocosos son el paisaje predominante. Un tipo de vegetación característico y de gran importancia, a pesar de que ocupa menos del 2% de la superficie de la cuenca del río Mauri, son los bofedales. Un bofedal es un humedal de altura, ecosistema presente en zonas agroecológicas de puna seca. “Es considerado una pradera nativa poco extensa con humedad permanente, vegetación siempre verde y de elevado potencial productivo” (Alzérreca, 2001, citado por Flores, 2002). La importancia de este ecosistema radica en que posee vegetación durante todo el año por que son muy aprovechados por las comunidades campesinas de la zona, ya que se constituyen en la base de la ganadería de camélidos sudamericanos como las alpacas. También representan zonas que albergan una variedad de aves, otros animales y especies vegetales típicas del área. 2.5

ASPECTOS SOCIOECONÓMICOS

Además de una baja densidad poblacional, la cuenca del río Mauri presenta un bajo nivel de vida y de ingresos, muy inferiores al promedio de Bolivia y Perú. Las tasas de crecimiento poblacional también han sido inferiores al promedio nacional e incluso negativas, como consecuencia de la migración extra e interregional, que se incrementó con la ocurrencia de sequías como la del año 1982-83 (ALT, 2003). Una evaluación de los niveles de educación y de la infraestructura de servicios ha identificado que: a) las tasas de analfabetismo en el área rural continúan siendo elevadas, a pesar de las significativas reducciones de los últimos años; b) la infraestructura de saneamiento básico, energía y salud es insuficiente. La mayor parte de los hogares no cuenta con uno o varios servicios básicos, especialmente en el área rural (ALT, 2003). Las principales vías de acceso son la carretera La Paz – Charaña en Bolivia y la carretera Tacna – Capaso en Perú. En el sector boliviano existen además la denominada carretera La Paz – TholaKollo – Hito IV, que se une al tramo peruano para llegar a Tacna y el ferrocarril La Paz-Charaña-Arica, que no está en funcionamiento, aunque se proyecta una próxima rehabilitación, al menos para transporte de carga. Existen caminos vecinales conectados a esas vías principales. La ganadería es la actividad que concentra a la mayor parte de la población económicamente activa. Por las limitaciones climáticas (baja temperatura, heladas, sequías) la agricultura se reduce a superficies pequeñas donde se cultiva papa amarga. La actividad ganadera se desarrolla aprovechando la presencia de bofedales. Se cría principalmente llamas, alpacas y ovinos. Una parte de la producción pecuaria es procesada para elaborar quesos o lana y es vendida en las ferias rurales y ocasionalmente es llevada fuera de la región. El comercio (particularmente el informal) representó también una importante actividad, especialmente en el sector de Charaña, aprovechando la condición de triple frontera de la región. Sin embargo, esta actividad ha disminuido en magnitud en años recientes por diversos factores y muchos comerciantes se han trasladado a otros sectores fronterizos donde las condiciones son más favorables.

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Las condiciones son diferentes en la cuenca del río Desaguadero, donde existen extensos sistemas de riego que aprovechan las aguas de ese río (y del río Mauri) y donde existen sistemas de producción agroindustrial relativamente desarrollados, mejor acceso a los centros urbanos de consumo y en general, una mejor infraestructura de transporte y comunicaciones.

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Capítulo 3

TRATAMIENTO DE LA INFORMACIÓN HIDROMÉTRICA Como paso previo a la evaluación de la oferta de agua, se hizo un análisis de la red de observación hidrométrica y se llevó a cabo el tratamiento de la información de las estaciones bolivianas que forman parte de esa red, tareas que se describen en el presente capítulo. Se presenta también el inventario de la información hidrométrica disponible en la cuenca del río Mauri y Bajo Desaguadero y la metodología que se utilizó para realizar el tratamiento de esa información. 3.1 RED DE ESTACIONES HIDROMÉTRICAS DE LA CUENCA DEL RÍO MAURI Y BAJO DESAGUADERO Se logró identificar un total de 20 estaciones hidrométricas, 17 de las cuales están ubicadas en la cuenca del río Mauri y 3 en la cuenca del Bajo Desaguadero. Once de las 20 estaciones están ubicadas en la parte alta de la cuenca del río Mauri, en territorio peruano. Tres estaciones se ubican en la parte alta de la cuenca del río Caquena, en Chile. Bolivia administra tres estaciones situadas en la cuenca del río Mauri y tres situadas a lo largo del río Desaguadero. La tabla 6.1 muestra la ubicación política, la cuenca y el río donde están ubicadas las estaciones. La tabla 6.2 muestra la ubicación geográfica, altitud y el tipo de registros hidrométricos que estuvieron disponibles para el presente estudio. La figura 6.1 muestra la ubicación geográfica de las estaciones y del punto de control de Kalachaca, así como la red hídrográfica y los límites del área de estudio. Tabla 3.1: Ubicación política e hidrográfica de las estaciones hidrométricas

No se dispuso de datos de la estación Bocatoma Uchusuma, ubicada sobre el río Uchusuma. Para las 10 estaciones peruanas restantes, se obtuvieron series de caudales medios, máximos y mínimos mensuales de la publicación “Información hidrológica – Cuenca río Maure” 2003,

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editada por el Proyecto Especial Tacna (PET) y el Instituto Nacional de Desarrollo (INADE) del Perú. La información de las tres estaciones chilenas, también en forma de series de caudales medios mensuales, fue obtenida de la Dirección General de Aguas (DGA) de Chile Tabla 3.2: Ubicación geográfica y registros disponibles en las estaciones hidrométricas

HDM=hidrométrica Tres de las 10 estaciones están ubicadas sobre manantiales (Ojos de Copapujo) o sobre quebradas o ríos pequeños (Mamuta 1 y Mamuta 2). Estas estaciones no fueron tratadas y los datos se presentan directamente en anexos. Además en los registros del PET las estaciones de Mamuta 1 y 2 figuran con coordenadas geográficas idénticas y erróneas, porque no corresponden a ningún punto de la quebrada Mamuta. Las coordenadas de Mamuta 1 y 2 que figuran en la tabla 3.2 son una estimación obtenida en base al SIG. La estación Kovire Túnel mide los caudales que son derivados y trasvasados hacia la cuenca del Pacífico mediante el túnel Kovire, que empezó a funcionar en 1996. La estación Kovire Bofedal mide el caudal del río Mauri en un punto situado más abajo del punto de trasvase. Por tanto, la estación Kovire Bofedal medía todo el caudal del Mauri hasta 1995. A partir de 1996 mide solamente el caudal remanente que queda en el río después de derivar el caudal por el túnel. Las coordenadas que figuran en la tabla 3.2 corresponden a la estación Kovire Túnel, que se han repetido para Kovire Bofedal, con el error consiguiente. Durante el tratamiento y relleno de datos (capítulo 6), las estaciones de Kovire Túnel y Kovire Bofedal se estudiaron como si fuesen una sola.

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Los datos peruanos y chilenos se encontraban en forma de tablas impresas, sin ninguna explicación sobre la forma en que se obtuvieron o sobre su calidad y confiabilidad. Las dificultades con las que se tropezó para conseguir información hidrométrica de la cuenca alta de los ríos Mauri y Caquena, se deben en parte a que ese sector se encuentra en Perú y Chile, países que al parecer mantienen cierta reserva sobre datos hidrológicos en cuencas fronterizas. Solamente en las seis estaciones bolivianas se dispuso de datos instantáneos de aforos y cotas (lecturas de reglas limnimétricas), proporcionados por el Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología (SENAMHI). Los aforos en la estación de Abaroa Mauri se realizan con flotador. Se pueden procesar caudales si se dispone de aforos y de cotas para un mismo periodo. Por tanto, en esas estaciones se pudo establecer las curvas de descarga Q=f(H) y a partir de ahí, las series de caudales instantáneos. Con los caudales instantáneos se pudo calcular los caudales diarios, medios mensuales y medios anuales. Todo este proceso se describe en el presente capítulo. Figura 3.1: La red de estaciones hidrométricas de la cuenca de los ríos Mauri y Bajo Desaguadero

Fuente: Elaboración propia

Proyección: Coordenadas UTM, Datum: WGS 1984, Zona 19 Sur

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La densidad de la red hidrométrica de la cuenca del río Mauri es de una estación por cada 577 km2, un valor bueno según las normas de la Organización Meteorológica Mundial (OMM). La densidad es aún mayor en la Cuenca Alta hasta la estación Frontera: una estación por cada 172 km2. Esa alta densidad refleja el interés de Perú y Chile por contar con información suficiente para los proyectos de aprovechamiento de las aguas de esa cuenca. 3.1.1 División en cuencas y morfometría La figura 6.2 muestra las 12 estaciones hidrométricas principales de la cuenca del río Mauri y sus respectivas áreas de aporte, a una escala más detallada. Se muestran también la ubicación de la estación de Mamuta, el punto de control de Kalachaca y la red hídrica principal y secundaria. La división en subcuencas se realizó en base al modelo digital de elevaciones SRTM corregido y georeferenciado a nivel 2B (ajuste con cartas ligadas al Marco de Referencia Geocéntrico Nacional, MARGEN). Se utilizaron cartas geográficas escala 1:250,000 para Bolivia y Chile y 1:100,000 para Perú. Figura 3.2: Áreas de aporte de las principales estaciones hidrométricas de la cuenca del río Mauri

Fuente: Elaboración propia

Proyección: Coordenadas UTM, Datum: WGS 1984, Zona 19 Sur

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La superficie y perímetro, así como varios parámetros morfométricos de cada subcuenca se muestran en la tabla 3.3. Para Mamuta y Ojos de Copapujo, los datos son preliminares, ya que no se contó con la ubicación exacta de esos puntos. Además Ojos de Copapujo es una vertiente cuya área de aporte real probablemente no coincide con la superficial. Se observa que la pendiente es más alta en las subcuencas de cabecera (Vilacota, Caquena nacimiento, Bocatoma Uchusuma). Al presentar un índice de compacidad próximo a 1 y fuerte pendiente, la respuesta hidrológica de esas subcuencas debería ser más rápida y presentar crecidas de mayor magnitud relativa. La pendiente media del curso principal se obtuvo siguiendo el curso más largo. Los ríos principales de la cuenca del Mauri tienen una pendiente moderada. La pendiente media del río Mauri hasta Calacoto es de 0.27% y del río Caquena hasta Abaroa es de %. La densidad de drenaje y la longitud de flujo de superficie, si bien son parámetros cuyo valor depende de la escala de los mapas utilizados, permiten al menos una comparación entre subcuencas trabajadas con la misma escala. Las subcuencas pequeñas, destacan por su relativa densidad de drenaje mayor y por tanto corta longitud de flujo superficial. A continuación se describen algunas características geográficas de las estaciones y el punto de control de Kalachaca: VILACOTA. Con control fluviométrico sobre el río Quilvire, naciente del río Mauri. Ubicada a 4470 msnm, al sureste de la localidad de Incuyo y al norte de la localidad Chincana y a unos 12 km aguas arriba de la Laguna Ancocota. Siguiendo el Curso Principal del río se encuentra a 24 km aguas arriba de la estación hidrométrica de Kovire. KOVIRE TUNEL. Con control fluviométrico al inicio del túnel de trasvase del río Mauri hacia una cuenca peruana al oeste. Está ubicada a 4392 msnm, a 5.5 km aguas abajo de la Laguna Tacata, y a 3.6 km al Oeste de la población de Chilicolpa. Siguiendo el curso principal del río se encuentra a 24 km aproximadamente aguas abajo de la estación hidrométrica Vilacota y a 11 km de la estación Kalachaca. KOVIRE BOFEDAL. Con control fluviométrico al inicio del túnel de trasvase del río Mauri hacia la cuenca peruana (oeste). Los principales aportes que recibe son los de la cuenca Vilacota (río Quilvire), de la cuenca del río Ancoaque y otros menores. Se encuentra aguas debajo de la toma y el túnel de Kovire siguiendo el curso principal del río Mauri. KALACHACA. Punto de control sobre el río Mauri donde se proyecta construir una toma. Ubicado a 4295 msnm, a 2.6 km al noroeste de la localidad de Incamoco, y a 4 km al este de la localidad de Samuta. Siguiendo el curso principal del río está localizada a 11 km aguas abajo de la estación Kovire y a 9 km aguas arriba de la estación hidrométrica de Challapalca. CHALLAPALCA. Con control fluviométrico sobre el río Mauri. Ubicada a 4236 msnm, cerca de la población Ancohuyo, a 1 km aguas arriba de la desembocadura del río Chiliculo en el río Mauri. Siguiendo el curso principal del río está localizada a 9 km aguas abajo de la estación Kalachaca y a 26 km aguas arriba de la estación hidrométrica Chuapalca

Tabla 3.3: Parámetros morfométricos de la cuenca del Río Mauri

CHILICULCO. Con control fluviométrico sobre el río Chiliculco (afluente del río Mauri por el margen izquierdo), recibe el aporte del río Jihuana (naciente) y de otros cursos menores. Ubicada a 4384 msnm, a 1.5 km al suroeste de la localidad de Chila y a 2.5 km al Sureste de la localidad Pamputa. OJOS DE COPAPUJO. Con control fluviométrico sobre la vertiente Copapujo, la cual desemboca sobre el río Mauri a 5.5 km aguas abajo de la estación hidrométrica Challapalca. Se localiza a 1.2 km al noreste de la localidad La Cueva y a 1.4 km al noroeste de la localidad de Chayullo. MAMUTA 1 Y 2. Con doble control hidrométrico sobre el río Mamuta, debido probablemente a que aguas arriba de estas estaciones el río se bifurca o se divide en dos, los cuales desembocan individualmente sobre el río Mauri. Esta ubicada a 4230 msnm, a 2.5 km al noreste de la localidad Mamuta, a 1.3 km al suroeste de la población de Chayullo y a 1.1 km al sureste de La Cueva. La desembocadura del primer curso de agua sobre el río Mauri esta a 6.5 km aguas abajo de la estación hidrométrica, y la desembocadura del segundo río a 0.3 km aguas abajo del anterior. CHUAPALCA. Con control fluviométrico sobre el río Mauri. La intercuenca definida por el tramo entre las estaciones hidrométricas Challapalca y Chuapalca, recibe aportes importantes por el margen derecho de los ríos Kallapuma, Kaño y otros menores. Por el margen izquierdo recibe el aporte de las cuencas de los ríos Chiliculco, Parinakutha (Ancomarca) y otros menores. Está ubicada a 4172 msnm, a 1.2 km al norte de la población Cruz de Vichuralla, a 2.4 km al suroeste de la localidad de Cruz del Calvario y a 5 km aguas debajo de la Laguna Pinahue. Siguiendo el curso principal del río está localizada a 26 km aguas abajo de la estación Challapalca y a 36 km aguas arriba de la estación hidrométrica Frontera. FRONTERA. Con control fluviométrico sobre el río Mauri. Ubicada a 4059 msnm, a 0.8 km aguas arriba de la desembocadura del río CusiCusi en el río Mauri, a 3.3 km al norte de la población Azangallane,y a 2.8 km al sureste de de la población Cueva. Siguiendo el curso principal del río está localizada a 36 km aguas abajo de la estación Chuapalca y también a 36 km aguas arriba de la estación hidrométrica Abaroa Mauri. CAQUENA NACIMIENTO. Con control fluviométrico sobre el río Caquena, controla el aporte de la cuenca naciente del río Caquena. Ubicada a 4410 msnm. Siguiendo el Curso Principal del río se encuentra a 9.5 km aguas arriba de la desembocadura del río Colcapagua en el río Caquena y a 13 km aguas arriba de la estación hidrométrica de Caquena Vertedero. COLCAPAGUA. Con control fluviométrico sobre el río Colcapagua (afluente del río Caquena por el margen izquierdo). Ubicada a 4289 msnm. Se localiza a 1.3 km aguas arriba de la desembocadura del río Colcapagua en el río Caquenay a aproximadamente 4 km aguas arriba de la estación hidrométrica Caquena Vertedero. CAQUENA VERTEDERO. Con control fluviométrico sobre el río Caquena. Ubicada a 4251 msnm, a suroeste del cerro Alachala, a 2.3 km al suroeste de la población Guailla, y a 6 km al sureste de la localidad de Tacata. Siguiendo el curso principal del río se encuentra a 71 km aguas arriba de la estación hidrométrica de Abaroa Caquena. 19

BOCATOMA UCHUSUMA. Con control fluviométrico sobre el río Uchusuma. Ubicada a 4257 msnm, a 0.8 km al este de la localidad de Uchusuma y a 1.20 km de la población de Churuyu. Siguiendo el curso principal del río se encuentra a 15 km aguas abajo de la Laguna Paucarany, a 55 km aguas arriba de la estación hidrométrica de Abaroa Caquena, siguiendo desde esta estación 13 km por el curso principal del río Casapa hasta el punto de confluencia del río Putani, continuando 10 km por este último hacia aguas arriba hasta la confluencia con el río Uchusuma, recorriendo por este 32 km hacia aguas arriba. ABAROA CAQUENA. Con control fluviométrico sobre el río Casapa (Cosapilla). Ubicada a 3960 msnm, a 1.3 km de distancia de la estación Abaroa Mauri y a 1 km de la confluencia del río Casapa con el río Mauri. Se localiza a 1 km al oeste de la localidad Eduardo Abaroa. La intercuenca definida por las estaciones hidrométricas de Abaroa Caquena y Caquena Vertedero, tiene aportes importantes de sus afluentes. Por el margen izquierdo de los ríos Putani, Cano y otros menores. Por el margen derecho recibe el aporte de los ríos Kalasaraya, Colque Uma, Chuma, Taquimalo, Tiquihari y otros menores. ABAROA MAURI. Con control fluviométrico sobre el río Mauri. Ubicada a 3957 msnm, a 1.3 km de distancia de la estación Abaroa Caquena y a 0.4 km aguas abajo de la confluencia del río Casapa con el río Mauri. Se localiza a 1 km al oeste de la localidad Eduardo Abaroa. La intercuenca definida por las estaciones hidrométricas de Abaroa Mauri, Abaroa Caquena y Frontera, tiene aportes importantes de sus afluentes. Los aportes por el margen derecho del río Mauri son menores, mientras que los del margen izquierdo son de mayor magnitud, como los del río CusiCusini, Liman y otros menores. CALACOTO. Con control hidrométrico sobre el río Mauri. Ubicada a 3797 msnm, a 4.6 km aguas arriba del punto de desembocadura del río Mauri en el río Desaguadero. Se localiza a 2.3 km al sur de la localidad de Calacoto. La intercuenca definida por las estaciones hidrométricas de Abaroa Mauri y Calacoto, tiene aportes importantes de sus afluentes. Los aportes por el margen derecho del río Mauri son de los ríos Tres Arcos, Llanqueri, Villca Palca, Tambo Quemado, Chaullani, Jachchapata, Putiri, Muru Aramaya, Mallou Chusi y otros menores; Por el margen izquierdo los ríos que aportan al cauce principal del río Mauri son los ríos Marcoma, Visacachani, Kankavi, Nasani y otros menores. 3.2 METODOLOGÍA PARA EL ANÁLISIS Y TRATAMIENTO DE LA INFORMACIÓN HIDROMÉTRICA La metodología general adoptada para construir series de caudales mensuales en las seis estaciones bolivianas ha consistido primero en obtener, en lo posible, series de lecturas de escala o cotas y series de aforos completas y confiables a nivel instantáneo, y segundo en elaborar curvas de calibración (gasto) a partir de los aforos disponibles. Estas series de cotas fueron traducidas en series de caudales instantáneos mediante las curvas de descarga. Con los caudales instantáneos se obtuvo caudales diarios, medios mensuales y medios anuales. La metodología fue aplicada a cada estación, desde aguas abajo hacia aguas arriba, según los siguientes pasos: 20

1. Primer análisis y eliminación de errores groseros (series de cotas y de aforos). 2. Análisis, crítica y relleno de las series de cotas (a nivel diario) por correlación lineal a partir de las estaciones vecinas. 3. Elaboración de curvas de descarga H-Q cuando sea posible, incluyendo el ajuste por varios métodos (comparaciones, correlaciones, etc.). 4. Traducción de las series de cotas instantáneas en series de caudales instantáneos. 5. Cálculo de las series de caudales diarios, medios mensuales y medios anuales a partir de las series de cotas criticadas y de las curvas de calibración. 6. Análisis de consistencia de los caudales medios anuales y mensuales. 7. Corrección y relleno de las series de caudales mensuales. La principal herramienta usada para el análisis y crítica de los datos hidrométricos ha sido el programa Hydraccess. Este programa fue desarrollado por el Ing. Philippe Vauchel del Instituto Francés de Investigación para el Desarrollo (IRD) a fin de ayudar al hidrólogo a hacer el tratamiento de la información hidrológica e hidrométrica recolectada en campo. Fue desarrollado en Visual Basic usando como plataforma Microsoft Access. Este programa fue escogido para el estudio, porque además de manejar un banco de datos, ofrece muchas herramientas que permiten hacer el análisis, crítica y tratamiento de la información. Para hidrometría Hydraccess permite: • • • • •

Almacenar características de estaciones (ubicación, cuenca, río, administrador, informe histórico, inventario de datos disponibles, etc.) Almacenar para cada estación datos instantáneos, diarios y mensuales de cotas, aforos y caudales, y exportarlos a Excel Calcular datos diarios, mensuales y anuales a partir de datos instantáneos (con el método de los trapecios) Exportar a Excel los aforos, a partir de los cuales también se pueden elaborar curvas de calibración Utilizar las curvas de calibración para traducir las cotas en caudales

Hydraccess cuenta con utilitarios para hacer un tratamiento avanzado de la información. Se destacan los siguientes: •

PROCESAMIENTO DE AFOROS, que permite calcular el caudal del aforo a partir de las hojas del observador. Este fue utilizado para introducir los datos de aforos que todavía no figuraban en la base de datos.

•

CALIBRA (Incluido en la nueva versión), permite trazar curvas de calibración a partir de una serie de datos de aforos de una estación hidrométrica pertenecientes a una base de datos hydracces. Entre sus opciones, Calibra permite visualizar simultáneamente los gráficos cronológicos de cotas y caudales

•

CORMUL, que permite hacer correlaciones por regresión lineal, sea simple, múltiple o con propagación entre datos de 2 o más estaciones. Este programa permite evaluar la calidad de los datos y rellenar series de datos con lagunas de periodos cortos, a partir de los valores de estaciones vecinas. 21

•

VECTOR REGIONAL, que permite realizar el análisis de consistencia de los caudales medios anuales y medios mensuales. El análisis de consistencia permite averiguar la calidad de los datos procesados haciendo la síntesis de toda la información disponible.

3.2.1 Análisis de la información hidrométrica básica El análisis se realizó sobre los datos proporcionados por SENAMHI (cotas, aforos, eventualmente curvas de calibración ya realizadas), en su forma original: planillas de terreno, datos digitalizados, etc. Se verificó que los datos existentes estuviesen en la base de datos del SENAMHI (periodo de las planillas =periodo de observación de los captores de la base). En caso contrario, se introdujeron los datos faltantes en Hydraccess. La figura 3.3 muestra, mediante un diagrama de barras, los periodos de registro de cotas (niveles de la superficie de agua medidos en reglas o escalas), en las seis estaciones hidrométricas bolivianas. La estación con los registros más antiguos (noviembre 1963) es Calacoto Desaguadero. SENAMHI proporcionó datos hasta noviembre 2005. Se trazaron limnigramas para donde se identificaron lagunas y errores graves en las series de cotas. Los limnigramas son gráficos que se elaboran trazando en el eje de las abscisas el tiempo y en el eje de las ordenadas las lecturas de escala de la superficie del agua. El análisis de los limnigramas de una o varias estaciones de la cuenca permitió identificar errores groseros como los errores de tecleo, como por ejemplo la adición y/u omisión de una cifra (1058 en vez de 108), o una coma desplazada (13,5246 en vez de 135,246)) o errores de unidades (i.e conversión de unidades no realizada de metros a centímetros).

Figura 3.3: Periodo de registro de cotas limnimétricas en las estaciones bolivianas

Fuente: Elaboración propia en base a datos de SENAMHI 3.2.2 Análisis de las series de cotas Se identificaron lagunas (periodos sin registros) en la serie de cotas, así como interpolaciones excesivas o dudosas. Para tener series de cotas instantáneas lo más completas posible se llevó a cabo las siguientes tareas: • •

Comparación de la serie de cotas de la estación con las series de cotas instantáneas de las otras estaciones de la cuenca para interpolar cotas de algunos días cuando tiene sentido (época seca). Relleno de las lagunas cortas (algunos días) por correlación con las cotas diarias de las estaciones vecinas (con el utilitario Cormul)

3.2.3 Elaboración de curvas de descarga a partir de aforos Existen tres factores físicos que afectan la evolución temporal de las curvas de descarga en una sección hidrométrica: naturaleza del lecho, régimen hidrológico y condiciones hidráulicas del entorno ((ALT, 1999). Naturaleza de los lechos: La mayoría de las estaciones de la cuenca están ubicadas sobre cauces de río compuestos por material aluvial medio a fino (arenas y limos). Por tanto los lechos son móviles y las secciones varían en el tiempo. Régimen hidrológico: El régimen pluviométrico del Altiplano se caracteriza por una estación lluviosa muy marcada en verano de solamente cuatro meses de duración y otra seca en 23

invierno. El régimen hidrológico sigue ese patrón, con caudales que pueden llegar a ser muy altos en la estación húmeda y muy bajos en la estación seca. Este carácter marcadamente estacional, unido a la naturaleza de los lechos, provoca que los lechos sean muy dinámicos respondiendo a las variaciones del caudal en el tiempo. Consecuentemente, las curvas de descarga pueden variar no solamente de año en año, sino de un mes a otro e incluso, después de cada crecida importante (figura 3.4). Figura 3.4: Cambio de sección y efecto sobre curvas de descarga

Fuente: Aguilar y Malbrunot, 2006 Condiciones hidráulicas en el entorno: Se da especialmente cuando la estación se ve afectada por las condiciones aguas abajo, por ejemplo cuando el nivel del agua en el río principal influye sobre el nivel del agua en el afluente donde se encuentra la estación. Además de estos factores, pueden existir errores en el procesamiento de los aforos y errores groseros. Con las funciones Hydraccess de visualización en Excel puede identificarse rápidamente los periodos sin aforos, verificar que la serie de aforos siga la serie de cotas instantáneas e identificar los periodos de calibración homogénea, es decir aquellos en los cuales los aforos (en orden cronológico), podían pertenecer a una misma curva de calibración. Para cada periodo de calibración homogéneo identificado se ajustó con Excel una curva de tendencia potencial o polinomial de grado 2. La ecuación más utilizada fue:

En donde Q es el caudal, H el nivel o cota, Ho el nivel al cual el caudal es igual a 0 y a y b son las constantes de la curva de descarga. Esta expresión puede ser expresada gráficamente ploteando aritmética o logarítmicamente los valores de niveles y caudales. Los mejores valores de a y b son obtenidos por el método de mínimos cuadrados. Por experiencias basadas en cauces naturales se observa que normalmente el coeficiente b toma valores en el rango . De acuerdo a la geometría del cauce de la sección, estos coeficientes a y b no necesariamente son constantes para todo el rango de niveles. Por ejemplo existen cauces en donde a 24

determinado nivel se produce un ensanchamiento brusco. En algunas secciones la relación que existe entre nivel y caudal cambia según que el caudal del río esté aumentando o disminuyendo, lo que se conoce como histéresis. Frecuentemente fue necesario dibujar muchas curvas de calibración, incluso para un mismo año, estación o mes, lo que se debe a los factores físicos mencionados anteriormente y en algún caso a la probable inestabilidad de las escalas limnimétricas. Cuando las escalas no se encuentran firmemente instaladas, pueden caerse en ocasión de una crecida fuerte, y en este caso, el observador hace sus lecturas en forma imprecisa, o a partir de una regla mal referenciada. Para las estaciones estudiadas, la mayoría de los aforos disponibles correspondían a aforos de aguas bajas o medias. Prácticamente no se dispuso de aforos en aguas altas y se tuvo que realizar extrapolaciones. Se realizó un análisis haciendo comparaciones entre los caudales instantáneos de cada estación y de sus vecinas y realizando correlaciones lineales simples y múltiples sobre los caudales diarios de las estaciones hidrométricas. Las curvas elaboradas no deben cruzarse y deben converger o ser paralelas en su parte alta. Si una descalibración se debe a una modificación del lecho del cauce, afectará generalmente más los caudales bajos que los caudales altos, para los cuales la modificación de la sección tendrá poco impacto sobre la parte alta de la curva, por lo tanto será conveniente trazar curvas que converjan en la parte alta. Y si una descalibración se debe a un cambio de nivel de la escala, la nueva curva debe deducirse de la precedente por una simple traslación. 3.2.4 Cálculo de caudales Una vez analizadas, corregidas y rellenadas las series de cotas y las curvas de descarga ajustadas, se realizó la traducción final de las series de cotas instantáneas en series de caudales instantáneos para cada estación. Luego se calcularon las series de caudales diarios a partir de los instantáneos y las series de caudales mensuales de los diarios. 3.2.5 Análisis de consistencia Una vez obtenidos los caudales diarios, mensuales y anuales, se sometieron a un análisis de consistencia, usando el método del Vector Regional. Este método (descrito en el capítulo 4) se aplicó al conjunto de las estaciones, incluyendo las de Perú y Chile, a nivel anual y mensual. Una vez calculado el vector regional (anual o mensual) se lo pudo comparar con los índices de cada una de las estaciones, e identificar en cada estación años y/o meses con problemas. Las primeras series de índices muestran generalmente mucha dispersión, con evidentes problemas de calidad de datos en algunas estaciones. Para mejorarlas, se realizó el análisis estación por estación, generalmente de aguas abajo hacia aguas arriba. Para cada estación, se volvió a la información básica que presentaba datos aparentemente de mala calidad y se corrigió mediante el análisis de correlaciones lineales. En algunos casos, fue necesario cambiar la curva de descarga aplicada inicialmente. Una vez corregidos todos esos datos, es necesario volver a obtener los caudales anuales y mensuales, volver a calcular un nuevo vector regional mejorado y las nuevas series de índices. Entonces se podía pasar a la 25

siguiente estación hasta que todas fueron revisadas. Al final, se llegó a obtener el vector regional final anual (o mensual) completamente corregido del juego de estaciones. 3.2.6 Relleno y completado de las series de caudales mensuales Con la meta de tener el mayor numero de años hidrológicos completos, se rellenó las series de caudales mensuales por correlaciones lineales simples y múltiples entre estaciones próximas, aplicando el utilitario CORMUL de Hydraccess. Para las seis estaciones bolivianas se obtuvieron series rellenadas para todo el periodo 1965-2005. Las series rellenadas se almacenaron como un captor particular en la base de datos. Las series rellenadas deben ser consistentes y tener el mismo comportamiento que las series históricas. Para verificar la consistencia se aplicó nuevamente el vector regional a las series rellenadas y para verificar el comportamiento un análisis estadístico a la serie histórica y rellenada de cada estación. Las figuras 3.5, 3.6 y 3.7 muestran los valores medios mensuales de las series históricas y rellenadas, en tres estaciones bolivianas de la cuenca. Se observa que los promedios mensuales rellenados e históricos siguen la misma tendencia, aunque difieran ligeramente en magnitud, como era de esperar. Figura 3.5: Caudales promedio mensuales rellenados e históricos, estación Abaroa Caquena

Fuente: Elaboración propia Figura 3.6: Caudales promedio mensuales rellenados e históricos, estación Abaroa Mauri

Figura 3.7: Caudales promedio mensuales rellenados e hist贸ricos, estaci贸n Calacoto Mauri

Fuente: Elaboraci贸n propia

3.3

RESULTADOS

La figura 3.8 muestra los periodos para los que se obtuvo o dispuso de caudales históricos en cada una de las estaciones de la cuenca de los ríos Mauri y Bajo Desaguadero. La tabla 3.4 muestra los caudales medios mensuales y anuales correspondientes a las series históricas. Las series mensuales históricas por estación se encuentran en el anexo A. Las series instantáneas y diarias de las estaciones de Abaroa Mauri, Abaroa Caquena, Calacoto Mauri, Calacoto Desaguadero, Ulloma y Chuquiña se encuentran en la base de datos Hydraccess. Figura 3.8: Periodo de registro de caudales en las estaciones de las cuencas de los ríos Mauri y Desaguadero

Fuente: Elaboración propia en base a datos de SENAMHI, PET-Perú y DGA-Chile Al basarse en registros, las series históricas incluyen todas las posibles alteraciones producidas por las extracciones aguas arriba de la estación correspondiente. Esto es particularmente importante en las estaciones de la cuenca del río Caquena, donde existe una gran cantidad de tomas para riego de bofedales y donde además están situadas las tomas y pozos de donde se trasvasa las aguas de la cuenca del río Uchusuma hacia Tacna. Por otro lado, al corresponder a periodos diferentes, los caudales de la tabla 3.4 no son comparables entre sí ni se pueden usar directamente para determinar láminas medias de escurrimiento o caudales específicos. De todas maneras las series mensuales históricas evidencian el particular comportamiento hidrológico de algunos ríos de la cuenca. Por ejemplo, en la estación Abaroa sobre el río Caquena, se observa un segundo máximo (“pico”) en junio-agosto, aunque de magnitud menor que el de época de lluvias. Este pico se observa también en la estación chilena de Caquena Vertedero, situada aguas arriba, lo que apoya la suposición de que es un comportamiento real y no producto de problemas o errores en los registros. 28

Similarmente, se observa que en todas las estaciones situadas sobre el río Mauri, el caudal se mantiene casi constante entre mayo y agosto, para decrecer luego gradualmente hasta octubre. En general, el caudal base de los ríos de la cuenca es relativamente alto, lo que evidencia que los acuíferos son importantes. Por otro lado, la escasa variación del caudal intermensual e interanual en alguna estación como la de Caquena Nacimiento, es una consecuencia probable de la presencia de glaciares y lagunas glaciares (los de Parinacota) que ocupan una superficie relativamente importante de esa microcuenca y que actúan como reguladores del régimen hidrológico. Los datos de la tabla 3.4 muestran que entre las estaciones de Vilacota, situada en las cabeceras del río Mauri y la estación consecutiva de Kovire, existe un retraso de un mes en el hidrograma de la época lluviosa. El caudal máximo medio mensual en Vilacota ocurre en febrero y en Kovire en marzo. Este retraso se atribuye al efecto hidrodinámico de la laguna de Vilacota, situada entre las dos estaciones.

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Tabla 3.4: Caudales medios mensuales históricos (m3/s) en estaciones de la cuenca de los ríos Mauri y Bajo Desaguadero

Fuente: Elaboración propia en base a datos de SENAMHI, PET-Perú y DGA-Chile

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Capítulo 4 ANÁLISIS DE LA PRECIPITACIÓN 4.1

CARACTERIZACIÓN REGIONAL

El régimen hidrológico está ante todo determinado por la variación en tiempo y espacio de la precipitación, que a su vez está fuertemente influenciada por la circulación atmosférica, tanto global como regional. Las lluvias sobre el Altiplano son de origen atlántico-amazónico, lo que ha sido confirmado por estudios isotópicos (Chaffaut, 1998). Al mismo tiempo se encontró que en las cuencas costeras al oeste de la cordillera Occidental, la mayor parte de la precipitación tiene su origen en el océano Pacífico. Figura 4.1: Dirección de los vientos alisios en enero El continente sudamericano se encuentra bajo la influencia de los sistemas de alta presión (anticiclones) del Atlántico, del Pacífico Sur y del Caribe. Entre los dos primeros se forma una zona de baja presión cerca del Ecuador, la Zona de Convergencia Intertropical (ZCIT), que sigue el movimiento aparente del Sol. La diferencia de presiones combinada con la rotación de la tierra se combinan para producir los vientos alisios, que traen la mayor parte de la humedad y las lluvias desde el este (Amazonía y Atlántico). La cordillera de Los Andes actúa como una barrera y desvía los alisios de baja altitud (ver figura 4.1), por lo que las regiones situadas al oeste de la cadena montañosa, como el Altiplano y algunos valles interandinos reciben mucha menos lluvia que la planicie amazónica y los valles nororientales. Durante el verano austral, la ZCIT oscila sobre la Amazonía boliviana, donde su notable inflexión hacia el Sur extiende ampliamente las bajas presiones tropicales. Al mismo tiempo se forma sobre al Altiplano a gran altitud (la troposfera), un sistema de alta presión, conocido como la Alta de Bolivia. Tiene lugar entonces la estación lluviosa. Durante el invierno austral, la ZCIT alcanza las Antillas y los anticiclones meridionales retornan a sus latitudes más septentrionales. Es la estación seca, caracterizada por una mayor estabilidad 31

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del aire y una menor disponibilidad de vapor de agua. Durante esta época en la región de estudio predominan vientos del oeste, muy secos (sin vapor precipitable). Estas condiciones son ocasionalmente interrumpidas por la irrupción de frentes fríos provenientes del sur, que provocan nevadas y lluvias invernales. Como consecuencia, la región muestra un ciclo estacional muy marcado. En coincidencia con el movimiento de la ZCIT hacia el sur, más del 70% de la precipitación se produce durante el verano austral, de diciembre a marzo, cuando el aire húmedo proveniente de la Amazonía ingresa al Altiplano y se descarga en forma de lluvias convectivas. 4.2

INFORMACIÓN PLUVIOMÉTRICA

La figura 4.2 muestra la ubicación geográfica de las estaciones pluviométricas usadas en el presente estudio, así como los límites de cuencas y subcuencas. La figura 4.3 muestra a una escala más detallada, las estaciones que están dentro de la cuenca del río Mauri- La tabla 4.1 muestra la ubicación política, coordenadas geográficas y parámetros registrados en cada una de las estaciones ubicadas en la cuenca del río Mauri y la tabla 4.2 contiene los mismos datos para las estaciones de apoyo. La última columna indica el grupo regional al que pertenecen. Figura 4.2: Ubicación de estaciones pluviométricas

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Fuente: Elaboración propia

(Proyección: UTM, Datum: WGS 1984 - Bolivia, Zona: 19 Sur

Figura 4.3: Ubicación de estaciones pluviométricas, Cuenca del río Mauri

Fuente: Elaboración propia

(Proyección: UTM, Datum: WGS 1984 - Bolivia, Zona: 19 Sur

Tabla 4.1: Estaciones meteorológicas de la cuenca del Río Mauri

Fuente: Elaboración propia en base a datos de SENAMHI-Bolivia, PET-Perú y DGA-Chile

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Tabla 4.2: Estaciones meteorológicas de apoyo (Cuencas del Río Desaguadero, Lago Titicaca, Salar de Coipasa y Lago Poopó)

(Fuente: Elaboración propia, en base a datos de SENAMHI-Bolivia, PET-SENAMHI-Perú y DIRECCIÓN DE AGUAS-Chile)

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La tabla 4.3 muestra los diagramas de barras para los registros pluviométricos de las estaciones dentro de la cuenca del Mauri, para el periodo 1960-2003. La tabla 4.4 contiene la misma información para las estaciones de apoyo. Las tablas está ordenada en orden alfabético, con el mismo orden de las tablas tabla 4.1. y 4.2. Se observa que muy pocas estaciones disponen de registros continuos y completos para todo el periodo. Tabla 4.3: Diagrama de barras de registros pluviométricos de la cuenca del río Mauri

(Fuente: Elaboración propia en base a datos de SENAMHI-Bolivia, PET-Perú y DGA-Chile)

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Tabla 4.4: Diagrama de barras de registros pluviométricos - estaciones de apoyo

Fuente: Elaboración propia en base a datos de SENAMHI-Bolivia, PET-Perú y DGA-Chile

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La figura 4.4 muestra el número de estaciones con datos disponibles (reconstituidos y rellenados) para cada año del periodo de estudio, en la cuenca del río Mauri y la figura 4.5 para las estaciones de apoyo. Estas figuras permiten identificar los periodos con mayor número de estaciones activas o con más registros pluviométricos. Se observa que entre 1975 y 2002 se tuvieron entre 8 y 11 estaciones activas dentro la cuenca del río Mauri. Para las estaciones de apoyo el periodo con mayor número de estaciones activas fue el de 1975 a 1996, cuando funcionaron entre 35 y 47 estaciones. Figura 4.4: Número de estaciones con datos disponibles, cuenca del Río Mauri (19602005)

(Fuente: Elaboración propia, en base a datos de SENAMHI-Bolivia, PET-SENAMHI-Perú y DIRECCIÓN DE AGUAS-Chile)

Figura 4.5: Número de estaciones con datos disponibles, estaciones de apoyo (1960-2005)

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4.3

ANALISIS DE CALIDAD Y TRATAMIENTO DE LA INFORMACION

Según UNESCO (1982), los errores en la medición de la precipitación se pueden agrupar en dos tipos básicos: • error en la medida puntual • error en la evaluación espacial Una gran parte de los posibles errores son intrínsecos a la medición y por tanto inevitables. Ese es el caso de los errores debidos al instrumento de medición y al efecto aerodinámico en las trayectorias de las partículas causado por el instrumento, que caen en el primer tipo, junto con los errores debido a la operación y ubicación. En forma general, el error en la estimación de la precipitación espacial (por ejemplo una subcuenca), se puede descomponer en: ∆PC = ∆P + ∆PG + ∆ PF Donde: ∆PC ∆P ∆PG

= = =

∆PF

Error en la evaluación de la precipitación espacial Error en la medida de la precipitación puntual Error por no ser suficientemente representativa la precipitación puntual de la zona que representa, que puede ser muy grande si la densidad de la red es muy pequeña Error en la precipitación de las zonas altas de montaña donde no hay instrumentos y es necesario estimarla a partir de extrapolaciones de lo que ocurre en las zonas más bajas (perfil pluviométrico)

Para obtener la mejor estimación posible de la precipitación, tanto a nivel espacial como temporal, se realizó un análisis en tres etapas: • • •

Análisis de consistencia, homogenización y regionalización de la precipitación Relleno de series mensuales mediante correlación Estimación de la precipitación espacial por cuencas y subcuencas

A continuación se describe cada una de esas etapas, que comprende a su vez varios subprocesos. Paralelamente se presenta una síntesis de los resultados obtenidos en cada etapa. 4.3.1 Análisis de consistencia, homogenización y regionalización de la precipitación Esta etapa es la que define la calidad de los datos y su consistencia. Los resultados que se obtienen son la identificación de las estaciones con datos consistentes y confiables y de los grupos regionales que presentan un comportamiento homogéneo. La principal herramienta utilizada para esta etapa es el vector regional. Vector regional Basado en los mismos principios del método de la curva doble acumulada, el método del Vector Regional crea un vector de índices anuales de precipitación en base a una serie 38

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cronológica de precipitaciones anuales ficticias, correspondientes a una estación igualmente ficticia. El vector de índices toma en cuenta los efectos de la tendencia de las series, y los pseudo-ciclos de la zona o región climática que afectan a cada una de las estaciones, verificando de esta manera la homogeneidad temporal de las series. El vector de índices anuales verifica igualmente la homogeneidad espacial de series observadas en las estaciones pertenecientes a la misma zona climática. El cálculo de los índices de precipitación se basa en una matriz de observaciones compuesta de los registros de precipitación anual de µ estaciones con n años de registros con observaciones faltantes a ciertas estaciones en ciertos años. Para cada estación se calcula una media que cubre el juego de datos del período de estudio, y para todos los años, se calcula un índice que será superior a 1 cuando el año sea húmedo e inferior a 1 cuando el año sea deficitario. El Vector Regional (VR) toma en cuenta la información de una región que supuestamente es homogénea climáticamente (comportamiento temporal similar). El Vector Regional fue desarrollado y convertido en código de programación por investigadores del Institut du Recherche pour Development (IRD) de Francia. Recientemente (2004), fue incorporado al programa Hydraccess, que fue utilizado para el manejo de los datos hidrometeorológicos del presente estudio. Una vez estimado el VR por grupo la crítica de los datos se facilita grandemente, porque se puede entonces: •

Evaluar la calidad de los datos de una estación y su pertenencia al grupo regional, mediante diversos parámetros estadísticos (i.e. coeficiente de correlación, error relativo, desviación Standard) proporcionados por el programa del VR.

•

Comparar gráficamente el comportamiento de las estaciones dentro de un grupo y entre grupos, trazando, entre otras cosas, el vector regional del grupo, de las estaciones que lo componen, así como curvas doble acumuladas. Esto permite identificar rápidamente quiebres y datos anómalos.

La calidad del vector regional depende de la calidad de los datos de la entrada, aunque los algoritmos usados intentan minimizar la influencia de los datos erróneos. El vector calcula a la salida "la contaminación" por los errores que existen en los datos origen. Si se eliminan los datos incoherentes y se corrigen gradualmente los errores más evidentes en los datos de entrada, se llegará a un vector regional de buena calidad. Cuando el VR es de calidad buena, se lo podría usar para reconstituir datos faltantes (lagunas), multiplicando el índice regional de un año por el valor medio de la precipitación en esa estación durante el período de estudio. Antes de aplicar el programa se requiere del análisis crítico de la información existente, entendiéndose por esto a la detección y exclusión de la matriz de aquellos datos incoherentes o no posibles, es decir que contengan errores groseros. A continuación y con carácter preliminar, se forman “grupos regionales” grandes de estaciones pluviométricas, tomando en cuenta su cercanía, características físicas y topográficas, etc. La salida del programa contiene varios parámetros que evalúan la calidad de los resultados. Se usaron principalmente los siguientes:

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•

El coeficiente de correlación “r” del índice con las estaciones (>0.70)

•

El valor de las desviaciones (que se deben mantener dentro de un margen de tolerancia)

•

Los límites de confianza dentro de los que se deben mantener las series interanuales del índice del vector

El análisis de los resultados lleva a disminuir el tamaño del grupo regional, identificar estaciones cuyos datos son inconsistentes y en caso extremo, eliminar aquellas estaciones con bajo coeficiente de correlación y alta desviación. En una etapa posterior, los datos reconstituidos en estaciones pertenecientes a un mismo grupo regional, deben mantener un comportamiento similar al de los datos originales, por lo cual es aconsejable aplicar el VR a los juegos de datos reconstituidos de cada grupo regional original. El análisis de consistencia, aplicado a los registros de las estaciones usadas en el presente estudio, permitió definir 6 grupos regionales. El grupo 1 está formado exclusivamente por estaciones dentro de la cuenca del río Mauri. Se caracterizaron además 3 grupos regionales formados predominantemente por estaciones de apoyo y dos grupos regionales de estaciones de la cuenca del Bajo Desaguadero. Los resultados se muestran en la tabla 4.5 usando datos reconstituidos y rellenados, en forma de índices obtenidos sobre los valores anuales del periodo 1960-2003, calculados respecto al año hidrológico adoptado: septiembre-agosto. Tabla 4.5: Grupos regionales de precipitación en la cuenca Mauri-Desaguadero

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La tabla 4.5 contiene información útil para otras actividades del estudio. Por ejemplo, la columna de precipitación media observada en mm corresponde al valor medio (Brunet Moret) de la precipitación para los años de registro (columna No años). En cambio, la columna de precipitación media calculada corresponde a la estimada con el promedio de los años donde pudo evaluarse el vector regional del grupo. Es este último valor el que se usó para elaborar el mapa de isoyetas. La diferencia entre el valor observado y el calculado para estaciones con registros para todo el periodo, da una idea adicional de la homogeneidad del grupo regional. Idealmente esa diferencia debería ser nula o muy próxima a cero. 4.3.2 Relleno y reconstitución estadística de datos pluviométricos Los registros pluviométricos frecuentemente muestran “lagunas” (periodos sin datos). Para obtener una base de uso común y no perder la información de un año debido a que se tengan algunos meses sin registro, es conveniente completar registros mensuales mediante relleno. Existen diversos procedimientos y criterios para realizar el relleno, entre los que se mencionan el uso de la media mensual histórica de la estación y el de la distancia inversa. Para el presente estudio se ha utilizado la correlación múltiple entre estaciones que en lo posible, pertenezcan al mismo grupo regional. Por consideraciones prácticas, en los casos de grupos con un número importante de estaciones, el relleno de una serie de datos de una estación cualquiera se realizará tomando en cuenta a las estaciones geográficamente más cercanas, siempre y cuando esas estaciones tengan consistencia aceptable (según el vector regional). Los criterios de relleno son los siguientes: •

El relleno se realiza entre estaciones pertenecientes al mismo grupo regional. En caso de que esto no sea posible, se deberá realizar un cuidadoso análisis para usar estaciones de otro grupo.

•

Se podrá rellenar registros faltantes siempre que los mismos no superen periodos continuos de 6 meses.

•

Las nuevas series rellenadas y/o ampliadas deberán seguir el comportamiento original, lo que será comprobado mediante la teoría de decisiones y/o el Vector Regional, donde el comportamiento de los vectores de la serie rellenada deberá seguir el de la serie original.

Para una mejor aplicación del método se vio por conveniente dividir al año en tres estaciones, de acuerdo al comportamiento de la región de estudio: • • •

Época húmeda: Noviembre, Diciembre, Enero, Febrero, Marzo Época seca: Mayo, Junio, Julio, Agosto Época de transición: Abril, Septiembre, Octubre

Varios programas estadísticos incluyen a la regresión múltiple entre sus herramientas y tienen además diversos parámetros que permiten evaluar la bondad de ajuste, como el coeficiente de regresión (r2), de regresión corregida (r2 correg), error típico de la estimación y el estadístico F que indica si existe relación lineal significativa entre la variable dependiente y el conjunto de variables independientes. El valor 0.00 indica un máximo nivel significativo de una serie de 42

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datos (de una estación) en la regresión. Para el presente estudio se utilizó el módulo de regresión múltiple del programa SPSS-Statistical Product and Service Solutions versión 11.5.1. Por criterio y experiencia, se aplicó la regresión linear con imposición en el origen, es decir que la ecuación no tiene término independiente: Y = β1 · X1 + β2 · X2 + ........ + βn · Xn La tabla 4.6 presenta valores medios mensuales y anuales de precipitación para el periodo 1960-2003 en 13 estaciones de la cuenca del Mauri y la tabla 4.7 la precipitación en las estaciones de apoyo de la cuenca del río Desaguadero y adyacentes. Estos valores fueron obtenidos en base a las series corregidas, rellenadas y validadas según los pasos anteriores. Las estaciones de las tabla 4.6 y 4.7 son por tanto importantes por su comportamiento homogéneo y longitud de registro y servirán de base para cálculos posteriores. Tabla 4.6: Precipitación media mensual y anual (mm) en la cuenca del río Mauri, 19602003

Fuente: Elaboración propia en base a resultados del Vector Regional Las figuras 4.6 y 4.7 muestran los pluviogramas medios mensuales de las estaciones de las tablas 4.6 y 4.7, respectivamente. Se observa en todos los casos una estación lluviosa de diciembre a marzo y una estación seca de mayo a octubre. En casi todos los casos, enero es el mes de máxima precipitación y junio y julio son los de mínima. Las series completas de precipitación para todas las estaciones usadas en el presente estudio fueron incorporadas a la base de datos Hydraccess. Se incluyeron tanto las series de datos originales como las series corregidas y completadas.

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Tabla 4.7: Precipitaci贸n media mensual y anual (mm) en estaciones de apoyo, 1960-2003

Fuente: Elaboraci贸n Propia en base a resultados del Vector Regional 44

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Figura 4.6: Pluviograma medio mensual de estaciones pluviométricas de la cuenca del río Mauri (periodo 1960-2003)

Fuente: Elaboración propia en base a datos de SENAMHI-Bolivia, PET-SENAMHI-Perú y Dirección de Aguas-Chile) Figura 4.7: Pluviograma medio mensual de estaciones pluviométricas de apoyo, 19602003, cuencas del río Desaguadero, Lago Titicaca, Salar de Coipasa y Lago Poopo)

Fuente: Elaboración propia, en base a datos de SENAMHI-Bolivia y PET-SENAMHI-Perú 45

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La figura 4.8 muestra el mapa de isoyetas anuales 1960-2003 para toda el área de estudio y la 4.9 para la cuenca del río Mauri. Ambos mapas fueron elaborados en base a los datos de las tablas 4.6 y 4.7 de estaciones de apoyo situadas fuera de la cuenca. Fue trabajado en ArcView con ajuste manual, tomando en cuenta la orografía y comportamiento regional. Se observa que la precipitación se incrementa hacia el norte, donde en la zona próxima al lago Titicaca supera los 600 mm/año. La precipitación se reduce en dirección sur, alcanzando los valores mínimos del orden de 200-250 mm/año hacia el suroeste y en dirección de la cuenca del lago/salar de Coipasa. A lo largo del río Desaguadero desde su confluencia con el Mauri, la precipitación está en el orden de 350-400 mm/año. Figura 4.8: Isoyetas anuales en la Cuenca del río Desaguadero y Lago Poopó, periodo 1960-2003

Fuente: Elaboración propia

( Proyección: UTM, Datum: WGS 1984 - Bolivia, Zona:19 Sur)

En la subcuenca del Mauri (figura 4.8) se observa que las cabeceras del río Caquena (Tarapacá-Chile) y Blanco (Bolivia) reciben precipitaciones del orden de 300 mm/año. La parte media y baja a lo largo del curso del río Mauri recibe precipitaciones entre 300 y 400 mm/año. En las cabeceras del río Mauri, en Perú, la precipitación llega a superar los presentan los 400 mm/año.

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Figura 4.9: Mapa de isoyetas anuales en la cuenca del río Mauri, periodo 1960-2003

Fuente: Elaboración propia 4.4

(Proyección: UTM, Datum: WGS 1984 - Bolivia, Zona:19 Sur)

EVALUACIÓN ESPACIAL DE LA PRECIPITACIÓN

Para las etapas posteriores del estudio y en particular, para la modelación, se requiere estimar la precipitación por subcuencas, en forma de series mensuales para todo el periodo de análisis. Para evaluar la precipitación espacial sobre una superficie definida existen varios métodos, empezando con el más simple, que es la media aritmética de los valores registrados en las estaciones en la subcuenca. Cada método tiene limitaciones, especialmente en zonas montañosas, donde puede existir una gran variación espacial de la precipitación frente a una densidad insuficiente de la red pluviométrica. Por consideraciones prácticas se usó el módulo Spatial de Hydraccess para el cálculo de valores medios sobre una cuenca. Este módulo incorpora los métodos de media aritmética, polígonos de Thiessen, inverso de la distancia y de Kriging. Este módulo accede directamente a la base de datos y tiene una gran flexibilidad de cálculo. Por ejemplo, para el método de Thiessen calcula los coeficientes de peso de una manera dinámica, creando diversas

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combinaciones según la disponibilidad simultánea de datos en las estaciones próximas, para todo el periodo de análisis. Así, cuando un usuario modifica las coordenadas de alguna estación en Hydraccess se puede actualizar rápidamente la lluvia media sobre la cuenca. El módulo Spatial tiene la posibilidad (entre otras) de importar un archivo ArcView (shapefile) que represente los límites de la subcuenca y para el cálculo espacial de la precipitación, combinarlo con las coordenadas geográficas de las estaciones que se encuentran en la base de datos. Existe también la posibilidad de seleccionar de esa base las estaciones que se van a utilizar. Considerando que la densidad relativa de la red pluviométrica de la cuenca es relativamente buena y que no se observa una variación espacial de la magnitud que se registra en los Yungas de La Paz y Cochabamba, se optó por el método de Thiessen para el cálculo de la precipitación en las subcuencas del río Mauri. La tabla 4.8 y la figura 4.9 muestran la precipitación media mensual y anual para las subcuencas e intercuencas definidas previamente. Las series completas fueron incorporadas a la base de datos Hydraccess y utilizadas en las siguientes etapas del estudio. Tabla 4.8: Precipitación media mensual y anual en mm en subcuencas de la cuenca del río Mauri, periodo 1960-2003

Fuente: Elaboración propia en base a datos reconstituidos 1960-2003 La figura 4.10 presenta, mediante un diagrama de barras, la precipitación media anual por subcuencas. Tal como era de esperar, las subcuencas de Vilacota y Chiliculco, situadas en las cabeceras del Mauri, son las que reciben mayor precipitación, mientras que las subcuencas de 48

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cabecera del río Caquena son las que reciben menos. La figura 4.11 muestra que el régimen pluviométrico anual es similar en todas las subcuencas. La precipitación mensual máxima se presenta por lo general en el mes de enero y la más baja en junio o julio. Figura 4.10: Precipitación media anual por subcuencas en mm, periodo 1960-2003, cuenca del río Mauri

Fuente: Elaboración propia Figura 4.11: Precipitación media mensual y anual por subcuencas en mm, periodo 19602003, cuenca del río Mauri

Fuente: Elaboración propia

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Capítulo 5 EVAPOTRANSPIRACIÓN La evaporación es el proceso físico por el cual el agua en estado líquido se transforma a su estado gaseoso (vapor de agua), lo que requiere de aporte externo de energía. La evapotranspiración (ET) es la cantidad de agua que se transfiere de la superficie terrestre (suelo y cuerpos de agua) a la atmósfera. Se compone de evaporación del agua líquida o sólida y de transpiración de las plantas. La evapotranspiración potencial (ETP) es la cantidad de agua que, si estuviera disponible, sería evapotranspirada desde una superficie definida. El proceso y variables necesarias para estimar este parámetro a nivel puntual y espacial serán descritos en el desarrollo del presente capítulo. La evapotranspiración real (ETR) es la cantidad de agua que realmente pasa a la atmósfera por el proceso de evapotranspiración. Su valor máximo sería la evapotranspiración potencial. La ETR es uno de los tres componentes principales del balance hídrico y será evaluada en el presente capítulo. Sirve también para el cálculo de los requerimientos de agua de las plantas y por tanto, para la estimación de la demanda de agua de bofedales y para riego de cultivos. 5.1 MÉTODOS DE ESTIMACIÓN DE LA EVAPOTRANSPIRACIÓN POTENCIAL 5.1.1 Evaporación en tanque La evaporación medida en tanque evaporimétrico concentra la mayor parte de variables que intervienen en el fenómeno físico de evapotranspiración y aparenta ser una estimación confiable para la determinación de la evapotranspiración potencial. Sin embargo, los efectos del instrumento de medición obligan a usar un coeficiente de ajuste (cuyo valor es generalmente menor a 1) para cada tanque en particular y un coeficiente para cada tipo de cultivo o vegetación (UNESCO, 1982). Además, el número de estaciones de la red meteorológica de SENAMHI que cuenta con mediciones en tanque (tipo A) es muy pequeño y es aún menor el de estaciones que disponen de lisímetro, método que proporciona datos más precisos. La tabla 5.1 muestra los valores de evaporación E media mensual y anual medida en tanque evaporímétrico, para las estaciones meteorológicas que cuentan con esos registros. Los periodos de registro son Las tres primeras estaciones de la tabla están ubicadas en la cuenca del río Mauri. Los valores de (E) de esa tabla servirán para comparar y validar el método indirecto de estimación de la evapotranspiración.

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Tabla 5.1: Evaporación media en tanque, mensual y anual (mm) Estaciones meteorológicas de las cuencas de los ríos Mauri y Desaguadero

Fuente: Elaboración propia en base a datos de SENAMHI-Bolivia y PET-Perú 5.1.2 Métodos indirectos Cuando no se poseen mediciones directas de la evaporación se recurre a métodos indirectos, generalmente fórmulas empíricas basadas en la ley de Dalton o en los factores meteorológicos que intervienen en el proceso, como temperatura del aire, humedad, radiación solar, horas del sol, velocidad del viento, presión atmosférica y otros. Estos métodos difieren en sus requerimientos de información y los principios físicos en que se basan. Algunas de los métodos más difundidos para estimar la ETP son: Turc, Thornthwaite-Mather (1944), BlaneyCriddle, Gras y Christiansen (desarrollado para superficies regadas), Penman (1965) y Avellán. La elección de un método es muy sensible respecto a la disponibilidad de información. Las fórmulas de Turc, Thornthwaite-Mather y Blaney-Criddle se basan en la temperatura para el cálculo de la ETP, lo cual es al mismo tiempo, una ventaja y una debilidad. La fórmula de Thornthwaite y Mather se utilizó para el Balance Hídrico de Bolivia (1992). Sin embargo, varios estudios, como el de Herbas (1987), muestran que el método subestima grandemente la ETP en zonas montañosas tropicales. Algunos autores (Zonisig, 1998) han intentado superar ese problema aplicando un coeficiente de corrección por altitud, obtenido empíricamente en base al método de Penman, pero las limitaciones de este enfoque sugieren que solo puede usarse para una aproximación inicial. Considerando las características fisiográficas y climatológicas de la región, se definió aplicar el método de Penman, que tiene una base físico-teórica y es recomendado por la OMM. La fórmula de Penman está basada en la combinación del balance de energía y la ecuación de transporte aerodinámico. Requiere de la medición de varios parámetros climáticos, lo que

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limita su uso, pero se ha encontrado que proporciona resultados consistentes y confiables para las diversas regiones del país. Las principales suposiciones del método son que prevalezca un flujo de energía de estado permanente y que los cambios temporales en el almacenamiento del calor en el agua no sean significativos. Estas suposiciones limitan su aplicación a intervalos de tiempo diarios o mayores y a situaciones que no involucren gran almacenamiento de calor (ej. lagos grandes). La fórmula utilizada es:

(5.1) Donde: E

∆

Evaporación del periodo en mm Se determina en función a la temperatura media diaria. Este cociente adimensional es una función de la temperatura y de la altitud que se debe multiplicar por el cociente Po/Pz (Po = presión al nivel del mar y Pz = presión a la altitud del lugar). Constante psicrométrica de valor 0.65 Pendiente de la curva de presión de saturación “ee”, en función a la temperatura del aire, en el punto θ = θAIRE (5.2)

Balance de energía diaria, calculado a partir de la siguiente fórmula: (5.3)

RO: a, b

n N

Donde: Radiación solar diaria en el límite superior de la atmósfera, en (cal/cm2-día), estimada en función de la latitud y época del año (Tabla 5.2) Coeficientes para la radiación solar global. En general a=0.24 y b=0.58. Para el caso específico del Altiplano, se han determinado coeficientes según el estudio de Herbas 1993): a = 0.344 y b = 0.323 para latitudes entre los 14º y 16º S, a=0.419 y b=0.378 para latitudes entre 16º y 17º S, a=0.251 y b=0.623 para latitudes mayores a 17ºS, mismos que son validos y aplicables en estaciones climáticas sobre los 4000 m. Número de horas de brillo solar, aproximado hasta la décima, obtenido de los heliógrafos Número máximo de horas de brillo solar aproximado hasta la décima, en función de la latitud del lugar (Tabla 5.3)

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: : e :

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Albedo de la superficie. Está en función al tipo de suelo, varia de 0 a 1 (tabla 5.4) Temperatura media ambiente (aire) en (ºK), = (T[ºC] + 273) Constante de Stefan-Boltzmann, igual a 1.18*10-7 (cal / cm2-día) Valor medio de la presión parcial del vapor de agua, en [mmHg], calculado con la ecuación: Siendo:

(5.4) HRM eS

Humedad relativa media en [%] Presión de vapor de saturación (en función de la temperatura media ambiente)

Poder evaporante del aire en función del viento y del gradiente de la presión del vapor, (m/día), calculado a partir de la expresión:

(5.5) Donde: Hv : Altura a la que se mide la velocidad del viento en (m), (se consideró 2.0 m) V: Velocidad media del viento en (m/s) Tabla 5.2: Radiación Solar Ro en el límite superior de la atmósfera (cal/cm2-día)

Fuente: UNESCO (1982) Tabla 5.3: Medias mensuales de la duración astronómica del día N (horas)

Fuente: UNESCO (1982)

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Tabla 5.4: Albedo α en función al tipo de suelo

5.2

VARIABLES METEOROLÓGICAS

A continuación se describe por separado las principales variables que requiere el método de Penman. 5.2.1 Temperatura media ambiente La temperatura varía de acuerdo a la ubicación geográfica. En la región andina y subandina, la variación diaria de temperatura tiene un ligero retraso respecto a la variación diaria de la radiación solar. La temperatura comienza a subir poco después de la salida del sol, alcanza un máximo de una a tres horas después de alcanzar el sol su cenit y baja durante la noche hasta alcanzar un mínimo hacia la salida del sol. La figura 5.1 muestra las estaciones meteorológicas con registros de temperatura, e fueron utilizados en el presente estudio. La tabla 5.5 muestra la temperatura media mensual y anual para el periodo de registro en las estaciones que se usaron para elaborar el perfil térmico de la cuenca del río Mauri. Las primeras 5 estaciones de la tabla están situadas dentro de la cuenca y el resto en sus alrededores. La figura 5.2 muestra el comportamiento mensual y estacional de la temperatura, para esas 5 estaciones. La tabla 5.6 muestra la temperatura media para el resto de las estaciones mostradas en la figura 5.1. Tabla 5.5: Temperatura media ambiente mensual y anual en (ºC)

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Fuente: Elaboración propia en base a datos de SENAMHI-Bolivia, PET-Perú y Dirección de Aguas-Chile Figura 5.1. Estaciones meteorológicas con registros de temperatura

Fuente: Elaboración propia, en base a datos de SENAMHI-Bolivia, PET-SENAMHI-Perú y Dirección de Aguas-Chile (Coordenadas UTM, WGS 1984, Zona 19 sur) Figura 5.2: Temperatura media mensual en (ºC) en la cuenca del río Mauri

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Fuente: Elaboración propia, en base a datos de SENAMHI-Bolivia, PET-SENAMHI-Perú y Dirección de Aguas-Chile Tabla 5.6: Temperatura media ambiente mensual y anual en (ºC) en estaciones de apoyo

Fuente: Elaboración propia en base a datos de SENAMHI Las tablas y figuras muestran un comportamiento regional homogéneo. La temperatura más alta se produce en noviembre y diciembre, al inicio del verano austral y de la época lluviosa. Los meses más fríos son junio y julio, que corresponden al invierno austral y la época de estiaje. La información térmica existente fue utilizada para la obtención de un mapa de temperaturas. Para ello se obtuvo un perfil térmico a nivel anual, es decir se estableció una relación entre la temperatura media anual y la altitud de la estación, mediante regresión. Solamente en la cuenca del río Mauri fue posible establecer una relación simple, ya que en el resto del área de estudio las relaciones son más complejas e involucran otras variables, además de la altitud. Se obtuvo un gradiente térmico de casi 0.9° C por cada 100 m, un valor por encima de la media regional. Posteriormente se combinó el perfil térmico con un modelo digital de elevaciones, para obtener el mapa raster que se muestra en la figura 5.3. Este mapa de temperaturas es más preciso y detallado que el mapa tradicional de isotermas (isolíneas de temperatura). Se observa que en ningún lugar de la cuenca del río Mauri la temperatura media anual supera los 8 °C. Los lugares más fríos corresponden a las cumbres de la cordillera, que alcanzan altitudes de hasta 6330 m.

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Figura 5.3: Mapa térmico de la cuenca del río Mauri, en función al MDE

Fuente: Elaboración propia, en base a datos de SENAMHI-Bolivia, PET-SENAMHI-Perú y Dirección de Aguas-Chile (Coordenadas UTM, WGS 1984, Zona 19 sur) 5.2.2 Humedad relativa La atmósfera contiene cantidades variables de agua en forma de vapor. El contenido de vapor de agua existe expresado como porcentaje de la cantidad máxima que puede contener el aire saturado a una determinada temperatura, se conoce como humedad relativa. La tabla 5.7 muestra los valores de humedad relativa mensual y anual para estaciones meteorológicas en el área de estudio. Las dos primeras están ubicadas dentro de la cuenca del río Mauri. El comportamiento regional es relativamente homogéneo, con los valores más altos en la época lluviosa y los más bajos entre junio y agosto.

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Tabla 5.7: Humedad relativa media mensual y anual en (%)

Fuente: Elaboración propia en base a datos de SENAMHI 5.2.3 Vientos Para el cálculo de ETP, es importante conocer la velocidad del viento. La tabla 5.8 muestra los valores de velocidad media del viento a nivel mensual y anual en estaciones del área de estudio, de las que las dos primeras están dentro de la cuenca del Mauri. Para rellenar lagunas en los registros, se asumió la media mensual histórica del periodo. Se observa que existe una tendencia regional de que los vientos más intensos se presenten entre agosto y octubre.

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Tabla 5.8: Velocidad media del viento mensual y anual (m/s)

Fuente: Elaboración propia en base a datos de SENAMHI 5.2.4 Radiación e insolación Ante la escasez de estaciones meteorológicas que midan la radiación solar incidente, la mayoría de las versiones de la ecuación de Penman usan la insolación en horas sol/día (ver ecuación 5.3) para estimar la radiación neta. El número de horas en que irradia el sol sobre una estación meteorológica durante el día se mide con heliógrafo. La tabla 5.9 y la figura 5.4 muestran los valores medios de insolación a nivel mensual y anual en estaciones del área de estudio. Tabla 5.9: Insolación mensual y anual (hr/día)

Fuente: Elaboración propia en base a datos de SENAMHI

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Figura 5.4: Insolación mensual y anual (hr/día)

5.3

CÁLCULO DE LA ETP CON EL MÉTODO DE PENMAN

Con el objeto de obtener valores de ETP en el mayor número de estaciones y durante el periodo más largo posible, se adoptaron algunos criterios de orden práctico: •

Cuando el periodo de registro de una o más de las variables meteorológicas era más corto que el del estudio (1960-2003), los años faltantes se rellenaron con los promedios mensuales de esa variable.

•

Para estaciones donde no existiesen mediciones de las variables humedad relativa, vientos e insolación (una de ellas y solo en casos excepcionales, dos), se realizó la transposición de datos de otra estación próxima que contase con esos registros.

La aplicación de estos criterios puede llevar a errores sistemáticos en la estimación de la ETP para algunas estaciones. Para minimizar esa posibilidad se realizó un análisis de la información disponible y de los resultados, para finalmente seleccionar las estaciones que se muestran en la figura 5.5. Existen tres estaciones en el sector peruano de la cuenca del río Mauri que cuentan con registros de tanque, que fueron usados directamente para el cálculo de la ETP, aplicando un coeficiente de 0.90 (ETP=0.90 x EVAP.TANQ), con lo que se obtuvo los valores de la tabla 5.10. Tabla 5.10: Evapotranspiración potencial media (mm), en base a datos de tanque

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Fuente: Elaboración propia en base a datos de PET-Perú Figura 5.5: Estaciones meteorológicas con ETP calculada por Penman

Fuente: Elaboración propia

(Coordenadas UTM, WGS 1984, Zona 19 sur)

El cálculo de la ETP por el método de Penman se realizó mediante una planilla electrónica EXCEL, aplicando un albedo de 0.20 en todos los casos. Los resultados son series mensuales de ETP para el periodo 1960-2003, que fueron incluidas en la base de datos meteorológicos Hydraccess. Los valores medios mensuales se muestran en la tabla 5.11. La figura 5.6 muestra la ETP a lo largo del año para las dos estaciones situadas en el sector boliviano de la cuenca del río Mauri, que son las primeras que aparecen en la tabla 5.11. La figura 5.7 muestra la ETP para el resto de estaciones de esa tabla. El comportamiento regional es homogéneo. Los valores máximos de ETP se dan en los meses de octubre a diciembre, cuando la temperatura y la radiación solar neta alcanzan sus valores máximos.

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Figura 5.6: Evapotranspiración potencial en la cuenca del río Mauri

Fuente: Elaboración Propia en base a datos de SENAMHI Tabla 5.11: Evapotranspiración potencial media (mm) según Penman

Fuente: Elaboración propia

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Figura 5.7: Evapotranspiración potencial en el área de estudio

Fuente: Elaboración propia En la figuras 5.8 al 5.10 se comparan los valores de ETP media mensual calculada con Penman y los registros de evaporación E en tanque para tres estaciones representativas. Como complemento, se muestran además en cada figura la ETP calculada con Penman para estaciones meteorológicas cercanas. En la mayoría de los casos, la correspondencia entre valores mensuales es buena. En general en cada gráfica, el comportamiento durante el año tiende a ser homogéneo, lo que implica que las líneas son relativamente paralelas. Además los valores de E de tanque están generalmente por encima, como era de esperar, por lo que se podría obtener un coeficiente de corrección que ajuste los valores del tanque, en función a valores de ETP obtenidos por Penman. La figura 5.8 no incluye la ETP calculada con Penman para Chuapalca, estación que no dispone de los registros necesarios. La comparación es por tanto con las dos estaciones más próximas. En este caso se observan diferencias en el comportamiento de época húmeda (las líneas se cruzan, además de que no se percibe el máximo secundario de mayo en las curvas de ETP Penman. En la figura 5.9 las líneas son paralelas e incluso las de ETP Penman mantienen las inflexiones y el máximo secundario de la evaporación en tanque. En el caso de Corque y estaciones cercanas, las líneas son paralelas, pero no logra reproducirse el máximo secundario de abril. Además el coeficiente de corrección de tanque es menor a 0.70. En el cálculo de la ETP con Penman, las inflexiones y máximos secundarios se deben al efecto de las otras variables: viento y humedad relativa.

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Figura 5.8: ETP Penman vs Evaporación en tanque – CHUAPALCA y estaciones cercanas

Fuente: Elaboración propia Figura 5.9: ETP Penman vs Evaporación en tanque – PATACAMAYA y estaciones cercanas

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Fuente: Elaboración propia Figura 5.10: ETP Penman vs Evaporación en tanque – CORQUE y estaciones cercanas

Fuente: Elaboración propia 5.4

EVALUACIÓN ESPACIAL DE LA EVAPOTRANSPIRACIÓN POTENCIAL

Con los resultados del análisis puntual para las estaciones de la cuenca, se elaboró el mapa de isolíneas de evapotranspiración potencial y el cálculo de las series mensuales para las subcuencas del Mauri, para el periodo 1960-2003. La figura 5.11 muestra el mapa de isolíneas de ETP para toda el área de estudio, elaborado en ArcView y ajustado manualmente según criterios topográficos y de ubicación, así como valores de referencia de otros estudios. Se observan dos sectores de máxima, uno de ellos hacia el noreste, alrededor de la población de Calamarca. El otro está situado al norte de la cuenca del río Mauri y alrededor de la estación de Pasto Grande en Perú, donde la ETP alcanza los 1600 mm/año. En la cuenca del río Mauri, la ETP oscila entre 1100 y 1500 mm/año. A lo largo del río Desaguadero, la ETP se encuentra en el rango de 1200 a 1400 mm/año. Para la evaluación espacial de la evapotranspiración potencial a nivel de subcuenca e intercuenca, se usó el módulo Spatial de Hydraccess (método de los polígonos de Thiessen), bajo los mismos criterios que se aplicaron a la precipitación. De esta manera se obtuvieron las series temporales a paso mensual por subcuencas, para el periodo 1960-2003. La tabla 5.12 y la figura 5.12 muestran la evapotranspiración media mensual y anual por subcuencas e intercuencas pertenecientes a la cuenca del río Mauri.

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Figura 5.11: Mapa de isol铆neas de ETP anual, periodo 1960-2003

Tabla 5.12: ETP media mensual y anual por subcuencas en mm, periodo 1960-2003

Fuente: Elaboraci贸n propia

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Figura 5.12: ETP media mensual por subcuencas en mm

Fuente: Elaboración propia Al igual que la ETP por estación, los valores más altos se presentan entre los meses de octubre y diciembre para todas las sub e intercuencas. Por su pequeño tamaño, las subcuencas reproducen las inflexiones y máximos secundarios de las estaciones. En algunas de ellas se presentan dos mínimos: en junio-julio y en febrero. Esto cambia en las subcuencas más grandes (Abaroa-Caquena, Abaroa-Mauri y Calacoto-Mauri), donde el comportamiento es monomodal, con un máximo y un mínimo bien definidos. A nivel anual (figura 5.13), la ETP varía de un mínimo de 1002 mm en la subcuenca de Caquena a un máximo de 1452 mm/año en la de Chiliculco. Figura 5.13: ETP media anual por subcuencas en mm, periodo 1960-2003

Fuente: Elaboración propia

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Capítulo 6 OFERTA DE AGUA 6.1

RELLENO Y COMPLETADO DE LAS SERIES DE CAUDALES MENSUALES

Para cumplir con los objetivos del presente estudio y en general, para fines de planificación y gestión de los recursos hídricos de la cuenca, es necesario disponer de series continuas de caudal sobre un periodo común, que debe ser lo más largo posible. Sin embargo, el corto periodo de registro de varias de las estaciones hidrométricas de la cuenca alta del río Mauri, así como las frecuentes lagunas en los datos históricos, dificulta o imposibilita el uso directo de las series obtenidas en el capítulo 3, por lo que se tuvo que rellenar y completar las series de caudal. Para llevar a cabo esa tarea se aplicaron dos técnicas: modelos hidrológicos de cuenca y modelos estadísticos. La elección de uno u otro método resulta de un análisis individual que toma en cuenta tanto las características físicas de cada subcuenca, que a su vez condicionan su comportamiento hidrológico, como las características estadísticas de cada serie. 6.1.1 Modelos hidrológicos El primer método usó el modelo CHAC/Simula, desarrollado por el Centro de Estudios Hidrográficos del Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX, 2004) del Ministerio de Fomento de España. CHAC es un modelo matemático de balance de cuenca, que aplica el modelo de Témez. Se trata de un modelo conceptual, agregado, de simulación continua, de pocos parámetros, de paso mensual, que aplica el principio de continuidad y simula los principales procesos de transferencia de agua en el ciclo hidrológico considerando dos almacenamientos: suelo/zona no saturada y acuífero/zona saturada (ver figura 6.1). Fue utilizado en la primera fase del proyecto Derechos de Agua y también en el Balance Hídrico Microregional de las cuencas de los ríos Pilcomayo, Beni, Mamoré y de los afluentes del lago Titicaca. La versión utilizada es la PreAlfa03j de junio del 2004, que incorpora al SIMULA como modelo precipitación-escurrimiento. La tabla 6.1 sintetiza las variables y ecuaciones utilizadas por el modelo. CHAC/SIMULA usa cuatro parámetros de calibración: la capacidad de almacenamiento de agua en el suelo Hmax, la capacidad de infiltración Imax, el parámetro C de excedencia y el coeficiente de descarga del acuífero α. La ubicación de estos parámetros en la figura 6.1 indica en que subproceso tiene más influencia cada uno de ellos. La figura 6.2 muestra el mapa de capacidad de almacenamiento Hmax y la figura 6.3 el mapa de número de curva CN (que es un paso previo para el mapa de Imax), obtenidos mediante análisis cartográfico usando el SIG y los mapas producidos por Zonisig (1998) y la ALT.

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Figura 6.1: El modelo de Témez Evapotranspiración

Fuente: Cedex (2004)

Tabla 6.1: Síntesis de variables y ecuaciones del modelo de Témez

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Fuente: Manual del CHAC (Cedex, 2004) Figura 6.2: Capacidad de almacenamiento del suelo Hmax en mm – cuenca del río Mauri

Fuente: Elaboración propia en base a información de Zonisig (1998) y ALT

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Figura 6.3: Número de curva CN - cuenca del río Mauri y Bajo Desaguadero

Fuente: Elaboración propia en base a cartografía temática Zonisig (1998), ALT Los resultados que proporciona el CHAC durante el proceso de calibración son series de: - caudal subterráneo - caudal superficial - caudal total - evapotranspiración real - contenido de humedad en el suelo - recarga al acuífero - cambio en el almacenamiento de agua en el acuífero El comportamiento hidrológico de los ríos Mauri y Caquena muestra algunas características que restringen la aplicación de modelos hidrológicos como el de Témez. En primer lugar, la “onda de crecida” secundaria que se observa en la estación invernal, que corresponde probablemente a la propagación subterránea a lo largo de acuíferos aluviales de las aguas infiltradas durante la estación lluviosa en la parte media y alta de las cuencas, especialmente en la del río Caquena (ALT, 1999). Para mejorar la simulación de la curva de recesión del caudal base, el modelo de Témez puede dividir el acuífero en dos capas, pero esto no fue suficiente para simular ese efecto. En segundo lugar, la clara influencia glaciar en pequeñas subcuencas de cabecera como la del río Caquena. El modelo de Témez no cuenta con

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componentes para estimar la fusión/sublimación/recarga de glaciares y por tanto, no puede simular ese proceso. En tercer lugar, la presencia de alguna laguna grande como la de Vilacota, que funciona como un embalse que regula y retrasa el flujo. Este es un proceso hidrodinámico que no puede ser simulado por el modelo de Témez (aunque si por el modelo MIKE BASIN). En cuarto lugar, los trasvases de agua hacia la cuenca del Pacífico y las extracciones de agua para riego de bofedales, que afectan ante todo al río Caquena y sus afluentes. Estos procesos pueden ser estudiados mediante el modelo MIKE BASIN. Pese a todas esas limitantes y tomando en cuenta objetivos académicos, el modelo CHAC se aplicó a algunas subcuencas, como la de Vilacota. La figura 6.4 evidencia algunas de las limitaciones del modelo: en general, los caudales simulados tienen un rango de variación (máximos y mínimos) más grande que los caudales observados. Si bien para algunos periodos y en algunas subcuencas el modelo proporciona valores aceptables, se descartó aplicar este método para el conjunto de la cuenca. Figura 6.4: Caudales observados y simulados (m3/s) en Vilacota, periodo 1973 -83

Fuente: Elaboración propia 6.1.2 Modelos estadísticos Una alternativa para el relleno de datos hidrométricos es el uso de un modelo estadístico que aplique técnicas de correlación múltiple entre estaciones, verificando al mismo tiempo que las series completadas/rellenadas sean estadísticamente similares a las series históricas. Esto se llevó a cabo aplicando el utilitario CORMUL de Hydraccess, que cuenta con herramientas para el “filtrado” de las series generadas, la comparación entre series completadas y observadas y entre series de estaciones consecutivas. Para verificar su consistencia, se aplicó el Vector Regional a las series completadas. Se obtuvieron así series de caudales medios mensuales para el periodo 1965-2005 en 15 estaciones de las cuencas de los ríos Mauri y Desaguadero, que incluyen las seis estaciones bolivianas, las tres chilenas y seis estaciones peruanas. Los datos históricos de Perú disponibles para el presente estudio en ningún caso se extendieron más allá de junio de 2003, por lo que los rellenos posteriores a esa fecha se realizaron en base a registros de estaciones

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bolivianas. Sin embargo, varias estaciones peruanas (Kovire, Chuapalca, Frontera) siguen funcionando hasta el presente, pero no se pudo acceder a los registros más recientes. Por tanto, el completado de las series peruanas para el periodo 2003-2005 es, hasta cierto punto, una “predicción” que deberá contrastarse y eventualmente corregirse con esos registros, si es que éstos están disponibles algún día. La extensión de esas series fue una decisión que se justifica por los objetivos del estudio, pese a los riesgos inherentes de error. Una decisión similar y sobre un periodo más largo se tomó para las series de las tres estaciones chilenas (Caquena Nacimiento, Colcapagua y Caquena Vertedero) de la cuenca del río Caquena. El periodo de registro disponible para el presente estudio en esas estaciones fue de 1990-2005, que se completó con el periodo 1965-89 basándose en los caudales de la estación de Abaroa Caquena. Como el periodo completado es mayor al de registro, en las tablas correspondientes se presentan los caudales característicos tanto del periodo 1990-2005 como 1965-2005. La figura 6.5 muestra el vector regional aplicado a los caudales medios anuales rellenados/completados de las tres estaciones hidrométricas situadas sobre el río Desaguadero. Un índice superior a 1 indica un año húmedo en que el caudal o escurrimiento del grupo de estaciones ha sido superior el promedio interanual. Un valor inferior a 1 indica un año deficitario. En el caso del río Desaguadero se observa una gran variación interanual, con años como el 1985-86 en que el vector regional superó el valor de 4 y años en estuvo por debajo de 0.3. En la figura 6.5 se puede observar que la correlación entre los vectores de las estaciones y el vector regional de las series rellenadas es muy buena y los desvíos son bajos. Figura 6.5: Vector regional anual de las estaciones del río Desaguadero, 1965-05

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Fuente: Elaboración propia La figura 6.6 muestra el vector regional de todas las estaciones situadas sobre el río Mauri, desde Vilacota hasta Calacoto. Se observa que la variación interanual del vector es considerablemente más baja que la que se presenta sobre el río Desaguadero. Por otro lado, algunas estaciones (Kovire, Calacoto Mauri y Vilacota) presentan desvíos importantes en algunos años. En el caso de la estación de Kovire (línea de color marrón), el desvío más grande se presentó el año 2000-01, el más húmedo de todo el periodo de registro histórico de esa estación. Otro desvío importante se presentó el año 1990-91, que también fue húmedo. La estación de Calacoto Mauri (línea de color morado) presenta varios desvíos, tanto en años húmedos como secos. Los más importantes se presentaron en los años húmedos 1985-86 y 1986-87 y el año seco 1994-95. Sin embargo, la correlación entre los vectores de las estaciones y el vector regional es buena o muy buena en todos los casos. Figura 6.6: Vector regional anual de las estaciones del río Mauri, 1965-05

6.2

OFERTA DE AGUA POR SUBCUENCAS

La tabla 6.2 muestra los caudales medios mensuales y medio interanual del periodo 1965-2005 para las 15 estaciones de referencia. Las series mensuales completas se muestran en el anexo 2. La estación de Kovire de la tabla 6.2 corresponde aproximadamente a la estación de Kovire Bofedal antes de iniciarse el desvío de aguas por el túnel Kovire. Para el relleno/completado de series se fusionaron los datos de Kovire Bofedal y Kovire Túnel. Se hace notar que la estación de Chiliculco no controla toda la cuenca de este río afluente del tramo superior del

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Mauri. La figura 6.7 muestra las estaciones de la tabla 6.2 situadas en la cuenca del río Mauri y las respectivas subcuencas y/o intercuencas. Tabla 6.2: Caudales medios mensuales en estaciones de la cuenca del río Mauri y Bajo Desaguadero, periodo 1965-2005

Fuente: Elaboración propia Figura 6.7: Estaciones hidrométricas y subcuencas/intercuencas

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Varias características del régimen hidrológico de la cuenca se identifican claramente en la tabla 6.2. Por ejemplo, el caudal máximo medio mensual se produce en febrero en casi todas las estaciones, un mes más tarde que la máxima precipitación mensual (ver tablas 4.7 y 4.8). Las excepciones son Kovire y Challapalca, donde el máximo medio se produce en marzo, por el efecto de retraso atribuible a la laguna Vilacota (1172 hectáreas). La figura 6.8 muestra los hidrogramas medios mensuales de las estaciones de Vilacota, Kovire, Challapalca y Chiliculco, donde se observa ese efecto. Figura 6.8: Hidrogramas medios mensuales en estaciones de las cabeceras del río Mauri

Fuente: Elaboración propia La figura 6.9 muestra los hidrogramas medios mensuales en estaciones de la Cuenca Alta del río Mauri, en el tramo entre Challapalca y Abaroa, la figura 6.10 los hidrogramas de la cuenca del río Caquena y la figura 6.11 los hidrogramas de la estación de Calacoto Mauri y las tres estaciones situadas sobre el río Desaguadero. La tabla 6.2 y las figuras muestran que el caudal mínimo medio mensual se produce en octubre en todas las estaciones de la cuenca del río Mauri. En las tres estaciones de la cuenca del río Desaguadero, el caudal mínimo mensual se produce en noviembre (figura 6.10). La tabla 6.3 muestra el caudal específico y la lámina de escurrimiento anual (promedios del periodo 1965-05) para las subcuencas e intercuencas del río Mauri, tal como están definidas en la figura 6.9. La intercuenca se define como el área de aporte entre dos o más estaciones hidrométricas consecutivas. Así por ejemplo, el área y el caudal específico de la intercuenca Chuapalca se obtuvo restando al área de aporte y caudal totales registrados en esa estación los valores correspondientes de Challapalca y Chiliculco. El caudal específico (algunos autores lo

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denominan rendimiento) se define como el caudal medio del periodo por unidad de área y se expresa generalmente en litros/seg-km2. La lámina de escurrimiento equivale al caudal específico y se expresa generalmente en las mismas unidades que la precipitación o la evapotranspiración real, para poder comparar entre sí los tres componentes principales del balance hídrico. Figura 6.9: Hidrogramas medios mensuales en estaciones de la Cuenca Alta del río Mauri

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Figura 6.10: Hidrogramas medios mensuales en estaciones de la cuenca del río Caquena

Figura 6.11: Hidrogramas medios mensuales en Calacoto Mauri y estaciones sobre el río Desaguadero

Fuente: Elaboración propia

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Tabla 6.3: Caudal específico y lámina de escurrimiento anual en la cuenca del río Mauri, periodo 1965-05

Fuente: Elaboración propia Los resultados de la tabla 6.3 evidencian grandes diferencias entre subcuencas. Las nacientes de los ríos Mauri y Caquena (subcuencas Vilacota y Caquena nacimiento) presentan los valores de caudal específico (4.6 y 8.3 litros/seg-km2, respectivamente) y lámina de escurrimiento (144 y 261 mm) más altos de toda la cuenca. En el otro extremo, las intercuencas de Kovire y Abaroa Caquena presentan caudales específicos muy bajos (0.7 y 0.23 litros/seg-km2, respectivamente). Para el conjunto de la cuenca del río Mauri en la estación de Calacoto, el caudal específico es de 1.5 l/s-km2 y la lámina de escurrimiento es de 48 mm, valores que están ligeramente por debajo de los correspondientes de la cuenca del río Desaguadero (Roche et al, 1992). El bajo caudal específico de la intercuenca Kovire se atribuye a la evaporación en la laguna Vilacota y otras lagunas más pequeñas situadas en esa intercuenca. El muy bajo caudal específico de la intercuenca Abaroa Caquena se debe en primer lugar a las extracciones de agua por medio de numerosas tomas, situadas tanto en el río principal como en sus afluentes. Como los caudales rellenados tienen el mismo comportamiento que los históricos, también reflejan las extracciones que se producen en la cuenca.

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REFERENCIAS Aguilar, I., Malbrunot, A. y Vauchel, P., 2006. Análisis, crítica y tratamiento de los datos hidrométricos disponibles aguas arriba de Misión La Paz, Informe final, marzo 2006 Autoridad Binacional del lago Titicaca y sistema TDPS (ALT), 1999. Determinación de la oferta de caudal en la cuenca del río Mauri. La Paz, nov. 1999, 13p. más anexos. ALT, 2001. Macrozonificación ecológica económica del sistema TDPS. Puno, octubre 2001, 256 p. más anexos ALT, 2003. Plan de Gestión de los Recursos Hídricos de la cuenca del río Mauri. La Paz. Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas- CEDEX, Ministerio de Fomento, España, 2004. Cálculo Hidrometeorológico de Aportaciones y Crecidas (CHAC), Manual provisional. Madrid, mayo 2004. Chaffaut, I. 1998. Precipitations d´altitude, Eaux souterraines et changements climatiques de L´Altiplano Nord-chilien. These presenté pour obtenir le grade de Docteur en Sciences, Université Paris XI Orsay, Octubre 1998, Paris. Herbas, C., 1987. Climatología de la Cuenca Andina y Amazónica del río Grande, Bolivia. Tesis UMSA, Publicación PHICAB, La Paz. 237 p. Proyecto Especial Tacna PET, Instituto Nacional de Desarrollo INADE Peru, 2003. Información hidrológica Cuenca río Maure. Tacna, agosto 2003. Quintanilla, J., Coudrain-Ribstein, A., Martínez, J., 1995. Hidroquímica de las aguas del Altiplano de Bolivia. En Memorias del Seminario Internacional Aguas glaciares y cambios climáticos en los Andes Tropicales, La Paz, junio 1995. Roche, M.A. et al , 1992. Balance Hídrico Superficial de Bolivia. Publicación PHICAB, La Paz, 28 p. UNESCO, 1982. Guía Metodológica para la Elaboración del Balance Hídrico de América del Sur. Montevideo. Vera Fung, G., 1996. Estudio de actualización hidrológica de los proyectos Kovire y Vilavilani. Tacna, septiembre 1996, 177 p. ZONISIG, 1998. Zonificación Agroecológica y Socioeconómica de la cuenca del Altiplano del departamento de La Paz, 211 p.

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ANEXO I CAUDALES MEDIOS MENSUALES HISTÓRICOS (m3/s)

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CAUDALES MEDIOS MENSUALES HISTÓRICOS

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ANEXO II CAUDALES MEDIOS MENSUALES COMPLETADOS (m3/s)

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