Regionalización de curvas de duración de caudales en Colombia

Abstract

Es de gran importancia conocer el comportamiento de los caudales de una cuenca hidrológica para la adecuada planeación y manejo del recurso hídrico, sin embargo, en Colombia existen muchas corrientes sin ningún tipo de registro o con información escasa, lo que genera la necesidad de implementar modelos hidrológicos que permitan llevar a cabo la estimación de caudales. El régimen hidrológico puede resumirse gráficamente con la curva de duración de caudales CDC (magnitud vs frecuencia o porcentaje de excedencia). Se utilizan series diarias de caudales provenientes de 655 estaciones, además de información geológica, topográfica y climática disponible para todo el país, para definir regiones hidrológicamente homogéneas. Mediante un análisis de clúster utilizando el algoritmo K-means, se delimitaron 15 regiones hidrológicas en el país, las cuales presentaron una alta heterogeneidad espacial. Se utilizaron regresiones lineales múltiples para estimar caudales característicos adimensionales (Q_p/Q ̅) en función de los atributos extraídos de cada cuenca. Se obtiene una serie de ecuaciones que permiten reconstruir curvas de duración de caudales adimensionales sintéticas para cada región hidrológica, presentándose valores de R² promedio entre 0.5 y 0.9, las comparaciones con las CDC observadas arrojaron errores porcentuales promedio de aproximadamente 9% en descargas medias, 30% en máximas y 50% en mínimas. Se analizaron cambios temporales en algunas CDC mediante la aplicación del test no paramétrico de Mann-Kendall, la pendiente de Sen y la pendiente de la regresión lineal de la serie, se observan tendencias crecientes significativas en las regiones del Chocó y Bajo cauca, mientras que para tendencias decrecientes no se observa ningún patrón.

Abstract: For an appropriate water resource planning and management, it is important to know the behavior of the streamflow in hydrological basins, however, in Colombia there are many ungauged catchments, which generates the need of running hydrological models. The flow regime can be graphically summarized by the flow duration curve FDC (magnitude vs. frequency). Daily flow time series from 655 gauging stations are used to define homogenous hydrological regions taking account geological, topographic and climatic information available for the whole country. 15 hydrological regions were delimited by cluster analysis using K-means algorithm, these regions exhibit a high spatial heterogeneity. Multiple linear regressions were used in order to estimate different characteristic dimensionless flows (Q_p/Q ̅) as a function of each basin’s attributes. As a result, we obtained a set of equations which allow the reconstruction of simulated dimensionless duration curves for each region, regression R² values between 0.5 and 0.9 were obtained. Simulated FDC were compared with observed values getting average percentage errors of approximately 9% for mean flows, 30% for maximum flow rates and 50% in minimums. Long term temporal changes are analyzed in several FDC by the mean of the application of non-parametric Mann-Kendall test, the Sen Slope and the slope of the linear regression of the time series. Significant increasing trends are observed in the regions of Chocó and Bajo Cauca, while decreasing trends did not present any particular pattern.