XXVIII Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental Cancún, México, 27 al 31 de octubre, 2002

VALIDACIÓN Y CALIBRACIÓN DE UN SISTEMA DE APOYO A LA DECISIÓN (SAD), COMO HERRAMIENTA PARA LA ADMINISTRACIÓN DE LOS RECURSOS HÍDRICOS DE CUENCAS MEXICANAS Barajas Salcedo José Departamento de Hidráulica Universidad Michoacana San Nicolás de Hidalgo (UMSNH), México. Arellano Molina Juan Pablo Departamento de Hidráulica Universidad Michoacana San Nicolás de Hidalgo (UMSNH), México. Sánchez Quispe Sonia Departamento de Ingeniería Hidráulica y Medio Ambiente Universidad Politécnica de Valencia (UPV), España. Domínguez Sánchez Constantino (*) Departamento de Hidráulica Universidad Michoacana San Nicolás de Hidalgo (UMSNH), México. Doctor en Ingeniería Civil con mención en Ingeniería Medio Ambiental, miembro del Sistema Nacional de Investigadores, Profesor-Investigador de la UMSNH con Perfil PROMEP otorgado por la Secretaria de Educación Pública (SEP), director de diversos proyectos de transferencia, investigación y desarrollo relacionados con la Gestión de Recursos Hídricos financiados por: el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología SIMORELOS, la SEP programa FOMES, y la Coordinación de Investigación Científica de la UMSNH. (*) Santiago Tapia 403, Centro, Morelia, Michoacán, CP 58000, México. Tel. 443-3167205, Fax. 443-3167205. e-mail [email protected]. RESUMEN En este artículo se muestran los resultados de la aplicación del sistema de apoyo a la decisión (SAD), AQUATOOL, en la cuenca del río Grande de Morelia, SAD útil para la fase de planeación y operación de un sistema de recursos hídricos. Esta aplicación ha requerido que se defina el esquema conceptual de simulación de la cuenca. Se recopile información relacionada con la gestión de la cuenca, así como con los aspectos físicos de la misma. Se calibró y validó una de las diversas pasadas que se hicieron con el modelo SIMGES del SAD AQUATOOL, que mejor representa la gestión histórica de la cuenca. Se analizaron tres escenarios de gestión. De la aplicación del SAD en la cuenca se ha determinado que éste, constituye una potente herramienta para la toma de decisiones en el campo de la gestión de recursos hídricos en México, pero en la medida que el usuario final se vaya familiarizando con esta herramienta, se irán creando necesidades de desarrollo de nuevos módulos que incluyan aspectos de calidad del agua, medioambientales y socio-económicos, entre otros. Palabras Clave: AQUATOOL, Sistemas de Apoyo a la Decisión, Planeación de un Sistema de Recursos Hídricos INTRODUCCIÓN En la actualidad, la sociedad demanda un suministro totalmente seguro de agua potable, así como para las otras actividades socioeconómicas, teniendo en cuenta la protección a los impactos adversos ocasionados por las sequías y las crecidas. Adicionalmente a esto hay que considerar aspectos, cualitativos, químicos y ecológicos que mantenga en equilibrio el sistema de recursos hídricos. Estos objetivos múltiples no son fáciles de atender. En el proceso de tomar buenas decisiones, en primer lugar una información adecuada permitirá manejar y analizar alternativas factibles, su impacto en los objetivos múltiples y el riesgo asociado a ellos. Con el fin de analizar tal información la ciencia, la tecnología y la experiencia deberán ser implicados. Con frecuencia los administradores de los recursos hídricos no están preparados para producir y entender

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este tipo de información. Por lo que se hace necesario una transferencia tecnológica de los científicos a los administradores de los recursos hídricos, de tal forma que los administradores sean capaces de aplicar la tecnología de forma fácil de una manera repetitiva y válida científicamente. Esto no es una tarea fácil, muchos aspectos envuelven la gestión de una cuenca (por ejemplo: físicos, biológicos, hidrológicos, químicos, socioeconómicos, institucional, legal, etc), y todos ellos están implicados en el análisis. La comunidad científica, por muchos años, ha desarrollado diversos modelos con el fin de estudiar estos aspectos. Pero pocos han hecho el esfuerzo para que estos trabajos estén disponibles a los tomadores de decisión. En México como en cualquier otro país, por muy desarrollado que este sea, existe un inevitable desfase entre el estado actual de la investigación de los recursos hídricos y la practica del día en los organismos encargados del tema; pero la existencia de este desfase se puede ir reduciendo gracias al progreso de la tecnología que sirve como medio para llevar lo más actual de la investigación a los encargados de la gestión de cuenca. El avance en el mundo de las computadoras ha permitido el desarrollo de Sistemas de Apoyos a la decisión (SAD) para la planeación y operación de sistemas de recursos hídricos. Estas herramientas sofisticadas, incluyen básicamente un fácil diseño del modelo, bases de datos manejables, modelos de simulación y optimización, y herramientas de análisis de los resultados En este artículo se calibra y valida el sistema de apoyo a la decisión (SAD) para la gestión de cuencas, AQUATOOL, el más robusto en su género, pero habría que probar si es adecuado para su uso en la administración de los recursos hídricos en cuencas mexicanas. En su primera etapa se ha hecho el análisis del SAD para la fase de planeación de la cuenca piloto del río Grande de Morelia y posteriormente se analizará en la fase de operación del sistema de recursos hídricos. GESTIÓN DE SISTEMAS DE RECURSOS HÍDRICOS COMPLEJOS La solución a un problema de gestión de sistemas de recursos hídricos, se enfoca como una secuencia de problemas de decisión, representando el sistema como un modelo conceptual con un número de elementos finito, interrelacionados e interactuando entre ellos en forma regular (Andreu et. al., 1996). Entre las herramientas mas utilizadas para la gestión de sistemas de recursos hídricos complejos están los modelos de simulación, empleados para predecir la respuesta del sistema de recursos hídricos bajo un grupo dado de condiciones. Estos modelos requieren entre otros, información de las entradas al sistema, y de las reglas de operación. Los típicos modelos de simulación incluyen el balance de masas de las entradas, salidas y cambios en el almacenamiento de los embalses, bajo condiciones de operación estándar, entre otros, la simulación nos da información acerca de la garantía de que una demanda sea suministrada; este tipo de modelos son de mucha utilidad en la fase de planeación de un sistema. Luego surgen los modelos que permiten gestionar el riesgo de fallo ocasionado por la sequía (Sánchez, 1999), esto es posible, por ejemplo, aplicado restricciones anticipadas al suministro en las demandas, comúnmente estos modelos dan la probabilidad que en una demanda ocurran fallos; este tipo de modelos son de mucha utilidad en la fase de operación del sistema. EL SISTEMA DE RECURSOS HÍDRICOS DE LA CUENCA DEL RÍO GRANDE DE MORELIA En éste trabajo se analiza la aplicación del sistema de apoyo a la decisión para la gestión de cuencas, AQUATOOL, en la cuenca del río Grande de Morelia. Cuenca ubicada en la porción centro norte del estado de Michoacán y principal fuente de recursos hídricos para el municipio de Morelia. La cuenca en estudio comprende: (1) la cuenca propia del río Grande de Morelia que nace en los límites de la cuenca del lago de Patzcuaro y la del río Turicato, cuyos principales tributarios son los ríos Tiripiteo y Tirio que se unen a la altura de Santiago Undameo, para formar el río Grande de Morelia que desemboca en el lago de Cuitzeo, y (2) la subcuenca río Chiquito de Morelia; con una superficie total aprox. De las cuenca de 1600 km2. La cuenca del río Grande de Morelia ha sido representada por un esquema conceptual de simulación, que se presenta en la Figura 1, en el que aparecen diversos elementos de la cuenca. Entre ellos tenemos tres puntos de entrada a la cuenca, conformados por la aportación de recurso superficial a la presa de Cointzio de 70.5 Hm3/año (denominada Aportación Cointzio), la aportación de la inter-cuenca entre Cointzio y Atapaneo de 46.4 Hm3/año (denominada Aportación

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Atapaneo) y la aportación del río Chiquito de 9.9 Hm3/año (denominada aportación Río Chiquito). El aporte de recurso subterráneo es suministrado por el acuífero Morelia-Querendaro y el Manantial de la Mintzita . El uso que concentra la mayor componente del consumo de agua dentro de la cuenca es el regadío, cuyas áreas se encuentran distribuidas en cuatro módulos de riego denominados en el esquema como Demanda Módulo I, Demanda Módulo II, Demanda Módulo III y Demanda Módulo IV. El suministro superficial y subterráneo a estas demandas, es operado por la Comisión Nacional del Agua, Gerencia Estatal de Michoacán y el Distrito de Riego No. 020 MoreliaQuerendaro.

Demanda Joconoles Módulo III Ca n

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9

Demanda Zacapendo Módulo IV

Der. Zacapendo Grande VIII 8 Der. Quirio

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7

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6

5

Acuífero 2 MORELIA-QUERENDARO

Nudo Final

Grande IX

0

a olet aG al L n a C Der. Atapaneo (La Goleta)

6

2

V nde Gra

Retorno Agricola

3

Aportaci¢n Atapaneo

Retorno Urbana 5

3

IV e nd ra G 1 Retorno CEPAMISA

Demanda CEPAMISA 1

ENLACE

7

Acuífero MINTZITA

4

1

11

Grande III

Der. Cointzio

3

Grande II 2

EMBALSE COINTZIO

ra G 1

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Toma Urbana Morelia (Subt) 2 Demanda Módulo I

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Demanda Urbana Morelia

2

Aportación R¡o Chiquito

Excedentes 0

1

Aportación Cointzio

Figura 1: Esquema conceptual de simulación de la gestión El sistema también suministra una importante parte del recurso superficial y subterráneo al abastecimiento urbano de la ciudad de Morelia, denominada en el esquema Demanda Urbana de Morelia. El suministro a esta demanda es operado por el Organismo Operador de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento del municipio de Morelia. También existe en el sistema un uso industrial que corresponde a la planta Celulosa y Papel de Michoacán S.A., denominada en el esquema Demanda CEPAMISA.

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Se tienen algunos elementos de regulación, como la presa de Cointzio, con una capacidad física de almacenamiento de 84.84 Hm3 y varias presas derivadoras. HERRAMIENTAS PARA LA GESTIÓN DE SISTEMAS DE RECURSOS HÍDRICOS La Figura 1 muestra el esquema conceptual del sistema del río Grande de Morelia, de acuerdo a como ha sido considerado para la simulación en el entorno del Sistema de Apoyo a la Decisión AQUATOOL, donde se hace uso del modelo matemático denominado SIMGES. Este modelo ha sido empleado para la simulación de la gestión de la cuenca, así como para el análisis del grado de aplicabilidad del SAD en cuencas mexicanas. El sistema de apoyo a la decisión AQUATOOL desarrollado para ser utilizado en las fases de planeación y operación de los recursos hídricos (Andreu et. al., 1996), lo conforman básicamente cuatro módulos: SIMWIN, OPTIWIN, MASHWIN, AQUIVAL. El módulo de SIMWIN permite desarrollar modelos de simulación de la gestión de cuencas con múltiples embalses, acuíferos, demandas e infraestructuras de transporte. Si la modelación de la cuenca es para ser utilizada en la fase de planeación, es suficiente hacer uso del modelo SIMGES. Si la modelación tiene como objetivo gestionar las sequías durante la operación del sistema de recursos hídricos se requiere el uso del modelo SIMRISK. Actualmente el SAD AQUATOOL, permite al usuario abordar diversas tareas del día a día en la gestión de cuencas: - Diseñar y modificar de manera gráfica el esquema conceptual de la cuenca - Entrar y gestionar bases de datos georeferenciadas - Realizar una simulación de la gestión de la cuenca, para una alternativa, un horizonte temporal, usando datos hidrológicos diferentes y también políticas de operación diferentes. - Realizar una optimización de la gestión de la cuenca, para una alternativa, un horizonte temporal, usando datos hidrológicos diferentes y también políticas de operación diferentes. - Realizar una valoración del riesgo a medio o largo plazo para cualquier elemento del sistema - Obtener informes de forma de texto, para todo el horizonte temporal o resumiendo - Obtener los resultados en forma de gráficos Para validar y calibrar el SAD AQUATOOL como herramienta en la gestión de cuencas mexicanas, se ha realizado un esquema conceptual de la cuenca del río Grande de Morelia, Figura 1, en el entorno del módulo SIMWIN, con el fin de evaluar las reglas de operación actuales de la cuenca, este análisis ha requerido el uso del modelo SIMGES incluido dentro de este módulo del SAD AQUATOOL VALIDACIÓN Y CALIBRACIÓN DEL ESQUEMA DE SIMULACIÓN DEL RÍO GRANDE DE MORELIA Se han desarrollado diversas pasadas del modelo SIMGES para la validación y calibración del mismo, así como para la verificación de datos. Se han comparado los resultados dados por el modelo frente a los datos históricos de gestión, entre ellos tenemos: retornos de riego, retornos urbanos, retornos industriales, entradas y salidas al acuífero MoreliaQuerendaro, entregas del río al lago de Cuitzeo y almacenamiento en el embalse de Cointzio (Figura 2) Luego de validar la pasada que representa mejor la gestión actual de la cuenca del río Grande de Morelia, se realizó un análisis de sensibilidad de algunos elementos del sistema, tales como: el suministro a las demandas agrícolas que bombean y el almacenamiento mínimo en el embalse de Cointzio. RESULTADOS OBTENIDOS Se tiene el SAD AQUATOOL (modelo SIMGES e interfaces de entrada y salida) validado y calibrado para la planeación de cuencas mexicanas. Poner en marcha el esquema conceptual de la cuenca del río Grande de Morelia en el AQUATOOL, solo ha requerido de una nueva herramienta de transformación de unidades, es decir no se ha sido necesario hacer modificaciones sustanciales al SAD. Se ha modelado la cuenca piloto del río Grande de Morelia, con fines de análisis de la planeación actual. El esquema de simulación de la cuenca, ha permitido analizar la planeación actual y proponer reglas de operación racionales acorde al

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estado actual de la cuenca. Cabe indicar que una regla de operación no es invariable en el tiempo, esta se modifica de acuerdo a las variaciones que sufre la cuenca.

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Simulado

1988

1985

1982

1979

1976

1973

1970

1967

1964

1961

1958

1955

1952

1949

1946

1943

Histórico

1940

Volumen almacenado en Hm3

Almacenamiento en el embalse de Cointzio

Años

Figura 2: Almacenamiento histórico frente a lo simulado del embalse de Cointzio Partiendo del esquema validado e información de la gestión de la cuenca se han propuesto diversas reglas mensuales (Figura 3), así como una regla anual (Figura 4) de operación racional del recurso superficial del río Grande de Morelia.

Figura 3: Regla de operación para el mes de marzo

Figura 4: Regla de operación anual

CONCLUSIONES En general se concluye que el SAD AQUATOOL es útil para un mejor entendimiento de los sistemas de recursos hídricos, en México, antes de analizarlos en la realidad, así como en los aspectos de gestión. Y finalmente, es una herramienta adecuada para la organización de datos. Se recomienda el uso del SAD AQUATOOL en la administración de las cuencas mexicanas ya que permite obtener soluciones consensuadas para luego poder implantarlas; por ejemplo: (1) En la etapa de negociar una solución a adoptar, el SAD permite que los diversos grupos de la administración y usuarios evalúen las consecuencias de las alternativas propuestas sobre el sistema, así como hacer un análisis de sensibilidad de las conclusiones frente a las incertidumbres de datos, de pronósticos o del funcionamiento del sistema; (2) en la etapa de planeación de una cuenca, el SAD permite diseñar políticas de operación racionales y (3) en la fase de operación, el SAD permite tomar decisiones anticipadas a las sequías

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Se concluye que el SAD AQUATOOL es válido para la toma de decisiones durante la fase de planeación de la cuenca piloto. Sin embargo es importante un trabajo permanente con los administradores de la cuenca para analizar nuevas necesidades en el proceso de toma de decisiones. La ardua tarea de uniformizar información que se tuvo que superar en la cuenca del río Grande de Morelia, nos hace concluir que debería continuarse el proceso de gestión de base de datos iniciado por el IMTA, ya que a pesar de tener información histórica, muy importante, esta no tiene los registros de los últimos años. Con este paso de hacer una base de datos única se deberían sentar las bases para un sistema automático de información hidrológica (SAIH) en al menos una cuenca piloto de la república mexicana. Esto haría el proceso más sencillo, ya que el SAD AQUATOOL está preparado para tomar información actualizada de un SAIH. Es recomendable que el SAD incluya además de la cantidad de agua otros aspectos como la calidad del agua y medioambientales, de tal forma que se desarrollen métodos de administración del recurso hídrico integral. Adicionalmente es recomendable que el SAD incluya aspectos económicos que permitan analizar la administración del recursos y la asignación de costes. Agradecimientos.- Este artículo ha sido posible gracias a los medios materiales proporcionados por el proyecto de investigación “Adecuación y aplicación de un sistema de apoyo a la decisión para la planificación integral de los recursos hídricos con conocimiento del riesgo asociado a las decisiones” financiado por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, Programa Regional SIMORELOS y el proyecto de investigación “Validación y calibración de sistema de apoyo a la decisión para la operación de sistemas de recursos hídricos con conocimiento del riesgo asociado a las decisiones, Parte II“ financiado por la Coordinación de Investigación Científica de la Universidad Michoacana San Nicolás de Hidalgo. Se agradece a la Comisión Nacional del Agua, Gerencia Estatal; al Organismo Operador de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento del Municipio de Morelia; y al Distrito de Riego 020 Morelia-Queréndaro, la información suministrada sobre datos de interés. La participación del tercer autor ha sido posible gracias al convenio de colaboración existente entre la Universidad Politécnica de Valencia y la Universidad Michoacana San Nicolás de Hidalgo. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Andreu J., Capilla J. y Sanchis E. (1996) AQUATOOL , a generalized decisión-support system for water resources planning and operational management, Journal of Hydrology, 177, pp. 269-291. Sánchez S. (1999) Gestión de sistemas de recursos hídricos con toma de decisiones basada en riesgo, Tesis Doctoral, Departamento de Ingeniería Hidráulica y Medio Ambiente, Universidad Politécnica de Valencia

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