Integration of Hydrological and economical aspects for water management in tropical regions. case study: middle Magdalena Valley, Colombia

Abstract

Water resources are a determining factor in the economic and social development of communities, given the need that is generated around its use. Over the years, this use has generated pressure on water availability, which were solved by increasing supply, exploring and developing new water sources, and expanding the existing extractions. In Colombia, water concession is the right to the limited use of water, and it is granted to develop economic activity. This concession must be related to water availability to ensure the preservation and efficient water use. However, to allocation water resources efficiently, tools that help to make decisions by analyzing the hydrological regime (surface and groundwater) in areas with lacking reliable data on water availability in an economic context are required. In this context, the main goal of this research was to provide a methodological approximation that allows integrating hydrological, hydrogeological, and economic aspects in water allocation between different users, prioritizing human needs and ecosystem processes, to establish management strategies at a regional scale. In this research performed an integration of diverse hydrological, hydrogeological, and economical aspects, using the Middle Magdalena Valley (MMV) geological basin as a real scale laboratory. Because this area is a primary supply center for the Colombian population, and economic activities related to mining, agriculture, aquaculture, livestock, industrial, services, and O&G exploration and exploitation are developed in conjunction; hydric and economic behavior of the system was analyzed. This analysis was carried out in regards to water availability (surface and groundwater), and its allocation to different stakeholders. For it, three phases were defined: (1.) to characterize the hydrological system, (2.) to characterize the hydrogeological system, and (3.) its integration into an economic optimization model. In the first phase, the hydrologic system behavior was analyzed through a numeric tool, to characterize the water supply, the recharge zones were identified, and the hydrologic alterations affecting the water supply were evaluated. The hydrological modeling allowed to perform an exhaustive interaction analysis between the hydrologic cycle dynamic and the weather condition and land use. Then, it was made an analysis of uncertainty and sensitivity to evaluate the influence of the principal parameters associated with the model. From this analysis, it was validated a methodology allowing to: (i) select proper values for the model parameters, and (ii) evaluate how the model parameters variations influence a simulated response. In the second phase, the geological, hydrological and hydraulic characterization was integrated into a hydrogeological model to estimate the water volume and groundwater flow system description. The result of this phase allowed to consolidate a methodology to assertively restrict a highly parameterized inverse model with lack of information, estimate hydraulic parameters of aquifers and analyze the spatial and temporal variation presented by these parameters at the regional scale. Finally, in the third phase, the hydrological aspects (surface and groundwater) were integrated with an economic optimization framework. This allows them to determine water allocation and water resources quality management. The main objective of this phase was to analyze the water use profit in a regional flow model, integrating multiple water supplies (surface and groundwater) and multiple demands. Here, the allocation model was analyzed from a regional scale in order to consolidate typologies of use by economic sector, and determine management strategies at a regional level. The general results of this research allowed to identify problems and evaluate management strategies, in a tropical basin at the regional level. Additionally, it was concluded that the quantification of water supply affects the allocation process between different stakeholders and this process, in turn, is a function of water quality. As part of the final stage of this research, the water system behavior was analyzed through future scenarios.

El recurso hídrico es un factor determinante en el desarrollo económico y social de las comunidades dada la amplia necesidad que se genera en torno a su aprovechamiento. El uso del agua ha generado a través de los años, presiones sobre su disponibilidad, las cuales usualmente se resolvían aumentando el suministro, explorando y desarrollando nuevas fuentes y, expandiendo las extracciones de las ya existentes. En Colombia, la concesión de agua es el derecho al uso limitado del agua, otorgado para desarrollar una actividad económica. Esta concesión debe estar relacionada con la disponibilidad de agua para garantizar la preservación y el uso eficiente del agua. Para asignar el recurso hídrico de manera eficiente se requieren herramientas que ayuden a tomar decisiones mediante el análisis del régimen hidrológico integral (aguas superficiales y subterráneas), lo cual es un problema complejo en áreas que carecen de datos hidrológicos confiables; y que permiten una evaluación sobre la disponibilidad en un contexto económico. En este orden de ideas, el objetivo principal de esta investigación fue proporcionar una aproximación metodológica que permita integrar aspectos hidrológicos, hidrogeológicos y económicos en la asignación de agua entre diferentes usuarios, priorizando las necesidades humanas y los procesos ecosistemicos, para establecer estrategias de gestión a escala regional. En consecuencia, esta investigación realizó una integración de aspectos hidrológicos, hidrogeológicos y económicos, utilizando la cuenca geológica del Valle Medio del Magdalena (MMV) como laboratorio a escala real. Debido a que esta zona es centro de abastecimiento para la pequeñas poblaciones rurales y se desarrollan de manera conjunta actividades económicas relacionadas con minería, agricultura, acuicultura, producción pecuaria, industria, generación hidroeléctrica, servicios de seguridad y emergencia y exploración y producción de hidrocarburos, se analizó el comportamiento hídrico y económico del sistema respecto a la disponibilidad de agua superficial y subterránea, y su asignación a los diferentes usuarios. Para ello, se definieron tres etapas: (1.) caracterización del sistema hidrológico, (2.) caracterización del sistema hidrogelógico, y (3.) su integración en un modelo de optimización económica. En la primera etapa, se analizó mediante herramientas numéricas el comportamiento hidrológico del sistema para caracterizar la oferta hídrica. En adición, se identificaron las zonas de recarga y se investigaron las alteraciones hidrológicas que afectan la cantidad de agua en el sistema. La modelación hidrológica permitió realizar una evaluación exhaustiva de la interacción entre la dinámica del ciclo hidrológico y las condiciones climáticas. Luego, se realizaron los análisis de sensibilidad e incertidumbre para evaluar la influencia de los principales parámetros asociados con el modelo y a partir de ello, se validó una metodológia que permite: (i) seleccionar valores apropiados para los parámetros de los modelos y (ii) evaluar en qué medida la variación de estos parámetros afecta una respuesta simulada. En la segunda etapa, se integraron la caracterización geológica, la hidrológica y la hidráulica en un modelo hidrogeológico para estimar el volumen de agua y la descripción del sistema de flujo subterráno. El resultado de esta etapa permitió consolidar una metodología para restringir asertivamente un modelo inverso altamente parametrizado con pocos o sesgados datos de campo, estimar parámetros hidráulicos de acuíferos y analizar la variación espacial y temporal que presentan estos parámetros a escala regional. Finalmente, en la tercera etapa, se integraron los aspectos hidrológicos superficiales y subterráneos desarrollados anteriormente, en un marco de optimización económica para determinar la asignación conjunta de agua y la gestión de la calidad del recurso hídrico. Este aparte tuvo como objetivo principal análizar el beneficio de uso del agua en un modelo de flujo regional que integra múltiples ofertas de agua y de demandas por parte de los usuarios. Aquí, se analizó el modelo de asignación desde una escala regional con el fin de consolidar tipologías de uso por sector económico y determinar estrategias de gestión a escala regional que permitan reducir los conflictos por uso y calidad, y fortalecer la gestión y administración del recurso hídrico en la zona. Los resultados generales de esta investigación permitieron identificar y evaluar de manera conjunta los problemas y estrategias de gestión, en una cuenca tropical con escases de información. Adicionalmente, se concluyó sobre cómo la cuantificación de la oferta hídirica afecta el proceso de asignación entre diferentes usuarios y este proceso a su vez, esta en función de la calidad. Como parte de la etapa final de esta investigación, se analizó a través de escenarios futuros el comportamiento del sitema hídrico.