Mapeo del peligro de inundación en ríos de montaña, caso de estudio del río Burgay

En este estudio se ha realizado la simulación de crecidas y el mapeo de inundaciones en un tramo de 10 km del río Burgay usando el modelo hidráulico unidimensional HEC-RAS. El análisis de los resultados muestra que el modelo es capaz de simular los eventos de crecidas e inundaciones en ríos de la región interandina, a pesar de la escasa información disponible. Los gobiernos locales (p.e. municipios) pueden utilizar los mapas de zonificación de peligro de inundación para realizar una planificación y manejo sustentable de las llanuras aluviales, mediante medidas estructurales y/o no-estructurales (p.e. ordenanzas de uso del suelo) que consideren las características físicas de las márgenes del río.HEC-RAS, an one-dimensional hydraulic model, was used to simulate and map floods along a 10 km stretch of the Burgay river. Analysis of the results reveals that the model is capable of simulating the flood and inundation situation along rivers in the Andean region, notwithstanding scarcity of information. Local governments (e.g. municipalities) can use the flood hazard zoning maps for the sustainable management of alluvial plains, through the planning and implementation of structural or non-structural measures (e.g. land use planning) considering the physical conditions of the riverbanks

Evaluación de modelos hidráulicos 1D para la simulación de inundaciones fluviales de montaña: un estudio de caso del río Santa Bárbara en Ecuador

Las inundaciones causadas por ríos es un tema clave para los administradores del agua debido a las pérdidas sociales y económicas que pueden causar. La compleja topografía y dinámica de los ríos de montaña ha limitado el análisis de su comportamiento durante las inundaciones (por ejemplo, transporte de sedimentos, inundaciones). Este estudio tiene como objetivo probar el rendimiento de tres modelos hidráulicos 1D (HEC-RAS, MIKE 11 y Flood Modeller) para estimar los niveles de inundación de un río de montaña. La evaluación de estos modelos se realizó considerando condiciones de estado estacionario a través de 10 escenarios, esto es, cinco períodos de retorno de descarga y dos tipos de datos de secciones transversales: (a) tipo I, levantamiento topográfico detallado complementado con información extraída de DEM, derivada de LiDAR; y (b) tipo II, secciones transversales derivadas exclusivamente del DEM. La investigación se realizó en 5 km del río Santa Bárbara, con una pendiente promedio de 0.25%. Los resultados del modelo HEC-RAS para secciones transversales tipo I se validaron previamente y, por lo tanto, se utilizaron como referencia para la comparación entre otros modelos y escenarios. La bondad de ajuste entre los modelos se midió con base en el coeficiente de eficiencia (EF) del modelo Nash-Sutcliffe. El objetivo principal del presente estudio fue determinar la variabilidad de los resultados del nivel de inundación en comparación con un modelo validado como referencia, utilizando los mismos datos de entrada para los tres paquetes de modelado. Nuestro análisis muestra que, cuando se usa la sección transversal tipo I, los paquetes de modelado evaluados arrojan resultados similares (EF estuvo entre 0.94 y 0.99). Por otro lado, la bondad del ajuste disminuyó al usar datos de tipo II, con un EF promedio de 0.98 (HEC-RAS), 0.88 (Flood Modeller) y 0.85 (MIKE 11) en comparación con el modelo de referencia. Los autores concluyen que es muy recomendable que los profesionales utilicen datos geométricos de tipo I en lugar de tipo II para obtener un rendimiento similar en los modelos probados. Solo el HEC-RAS tipo II tiene el mismo rendimiento que los modelos tipo I (EF promedio de 0.98).River flooding is a key topic for water managers because of social and economic losses it can cause. The complex topography and dynamics of mountain rivers has limited the analysis of their behavior during flood events (e.g., sediment transport, flooding). This study aims to test the performance of three hydraulic 1D models (HEC-RAS, MIKE 11, and Flood Modeller) to estimate inundation water levels for a mountain river. The evaluation of these models was performed considering steady state conditions through 10 scenarios, i.e. five discharge return periods, and two types of cross sections data (a) type I, a detailed field survey complemented with information extracted from DEM, derived from LiDAR; and (b) type II, cross sections exclusively derived from the DEM. The research was conducted for a reach of 5 km of the Santa Bárbara River, with an average slope of 0.25%. HHEC-RAS model results for cross sections type I, were previously validated and therefore used as reference for comparison between other models and scenarios. The goodness-of-fit between models was measured based on the Nash-Sutcliffe model efficiency coefficient (EF). The main goal of the current study was to determine the variability of inundation level results compared with a validated model as reference, using the same input data for the three modeling packages. Our analysis shows that, when using cross section type I, the evaluated modeling packages yield similar results (EF were between 0.94 and 0.99). On the other hand, the goodness of fit decreased when using type II data, with an average EF of 0.98 (HEC-RAS), 0.88 (Flood Modeller) and 0.85 (MIKE 11) when compared to the reference model. The authors conclude that it is highly recommend for practitioners to use geometric data type I instead of type II in order to obtain similar performance in the tested models. Only HEC-RAS type II has the same performance as type I models (average EF of 0.98)

Modelización del balance hídrico del suelo en Pendientes fuertes

En este trabajo se analiza el efecto de las características de los suelos de la región sobre el flujo de agua a través de estos. La fuerte pendiente y la notable diferencia de las propiedades hidrofísicas dentro de un perfil de suelo influyen en la magnitud de los distintos componentes del balance hídrico. El procedimiento involucra investigación experimental y numérica. Con los resultados experimentales se calibra un modelo hidráulico digital. Con el modelo numérico propuesto se llega a determinar la gran influencia de macroporos en el flujo de agua, la insignificante influencia de la pendiente del terreno en el flujo de agua en estado saturado y la inexistencia de anisotropía para los estratos de suelo considerados.Ingeniero CivilCuenc

Maskana. Revista científica

En este estudio se ha realizado la simulación de crecidas y el mapeo de inundaciones en un tramo de 10 km del río Burgay usando el modelo hidráulico unidimensional HEC-RAS. El análisis de los resultados muestra que el modelo es capaz de simular los eventos de crecidas e inundaciones en ríos de la región interandina, a pesar de la escasa información disponible. Los gobiernos locales (p.e. municipios) pueden utilizar los mapas de zonificación de peligro de inundación para realizar una planificación y manejo sustentable de las llanuras aluviales, mediante medidas estructurales y/o no-estructurales (p.e. ordenanzas de uso del suelo) que consideren las características físicas de las márgenes del río.HEC-RAS, an one-dimensional hydraulic model, was used to simulate and map floods along a 10 km stretch of the Burgay river. Analysis of the results reveals that the model is capable of simulating the flood and inundation situation along rivers in the Andean region, notwithstanding scarcity of information. Local governments (e.g. municipalities) can use the flood hazard zoning maps for the sustainable management of alluvial plains, through the planning and implementation of structural or non-structural measures (e.g. land use planning) considering the physical conditions of the riverbanks.CuencaVol. 3; no. 1 (enero-junio 2012

Impact of elevation and weather patterns on the isotopic composition of precipitation in a tropical montane rainforest

Este estudio presenta la variabilidad espacial y temporal de los isótopos δ18O y δ2H en la precipitación de una cuenca de captación de bosque nuboso montano del sur de Ecuador (cuenca de San Francisco). Del 2 de septiembre al 25 de diciembre de 2010, se realizó un muestreo de eventos de lluvia abierta a lo largo de un transecto altitudinal (1800 a 2800 m s.n.m.) para investigar los posibles efectos de la altitud y las condiciones climáticas en las señales isotópicas. La variabilidad espacial se ve afectada principalmente por el efecto de la altitud. El efecto de altitud δ18O basado en eventos para el área de estudio promedia −0,22 ‰ × 100 m−1 (δ2H: −1,12 ‰ × 100 m−1). La variabilidad temporal está controlada principalmente por las masas de aire predominantes. Las precipitaciones durante las épocas de los vientos alisios predominantes del sureste se enriquecen significativamente en isótopos pesados ​​en comparación con las precipitaciones durante otras condiciones meteorológicas. En el área de estudio, el clima durante el invierno austral está comúnmente controlado por los vientos alisios del sureste. Dado que la cuenca del Amazonas aporta grandes cantidades de humedad reciclada a estas masas de aire, las precipitaciones relacionadas con los vientos alisios se enriquecen en isótopos pesados. Usamos el exceso de deuterio para evaluar más a fondo la contribución de la humedad reciclada a la precipitación. De manera análoga a los valores de δ18O y δ2H, el exceso de deuterio es significativamente mayor en las precipitaciones relacionadas con los vientos alisios. En consecuencia, se supone que la humedad evaporada es responsable de las altas concentraciones de isótopos pesados ​​durante el invierno austral.This study presents the spatial and temporal variability of δ18O and δ2H isotope signatures in precipitation of a south Ecuadorian montane cloud forest catchment (San Francisco catchment). From 2 September to 25 December 2010, event sampling of open rainfall was conducted along an altitudinal transect (1800 to 2800 m a.s.l.) to investigate possible effects of altitude and weather conditions on the isotope signature. The spatial variability is mainly affected by the altitude effect. The event based δ18O altitude effect for the study area averages −0.22‰ × 100 m−1 (δ2H: −1.12‰ × 100 m−1). The temporal variability is mostly controlled by prevailing air masses. Precipitation during the times of prevailing southeasterly trade winds is significantly enriched in heavy isotopes compared to precipitation during other weather conditions. In the study area, weather during austral winter is commonly controlled by southeasterly trade winds. Since the Amazon Basin contributes large amounts of recycled moisture to these air masses, trade wind-related precipitation is enriched in heavy isotopes. We used deuterium excess to further evaluate the contribution of recycled moisture to precipitation. Analogously to the δ18O and δ2H values, deuterium excess is significantly higher in trade wind-related precipitation. Consequently, it is assumed that evaporated moisture is responsible for high concentrations of heavy isotopes during austral winter

Hydrology and Earth System Sciences

Weekly samples from surface waters, springs, soil water and rainfall were collected in a 76.9 km2 mountain rain forest catchment and its tributaries in southern Ecuador. Time series of the stable water isotopes ? 18O and ? 2H were used to calculate mean transit times (MTTs) and the transit time distribution functions (TTDs) solving the convolution method for seven lumped-parameter models. For each model setup, the generalized likelihood uncertainty estimation (GLUE) methodology was applied to find the best predictions, behavioral solutions and parameter identifiability. For the study basin, TTDs based on model types such as the linear–piston flow for soil waters and the exponential– piston flow for surface waters and springs performed better than more versatile equations such as the gamma and the two parallel linear reservoirs. Notwithstanding both approaches yielded a better goodness of fit for most sites, but with considerable larger uncertainty shown by GLUE. Among the tested models, corresponding results were obtained for soil waters with short MTTs (ranging from 2 to 9 weeks). For waters with longer MTTs differences were found, suggesting that for those cases the MTT should be based at least on an intercomparison of several models. Under dominant baseflow conditions long MTTs for stream water ? 2 yr were detected, a phenomenon also observed for shallow springs. Short MTTs for water in the top soil layer indicate a rapid exchange of surface waters with deeper soil horizons. Differences in travel times between soils suggest that there is evidence of a land use effect on flow generation.Cuencavol. 1

Maskana. Revista científica

En este estudio se ha realizado la simulación de crecidas y el mapeo de inundaciones en un tramo de 10 km del río Burgay usando el modelo hidráulico unidimensional HEC-RAS. El análisis de los resultados muestra que el modelo es capaz de simular los eventos de crecidas e inundaciones en ríos de la región interandina, a pesar de la escasa información disponible. Los gobiernos locales (p.e. municipios) pueden utilizar los mapas de zonificación de peligro de inundación para realizar una planificación y manejo sustentable de las llanuras aluviales, mediante medidas estructurales y/o no-estructurales (p.e. ordenanzas de uso del suelo) que consideren las características físicas de las márgenes del río.HEC-RAS, an one-dimensional hydraulic model, was used to simulate and map floods along a 10 km stretch of the Burgay river. Analysis of the results reveals that the model is capable of simulating the flood and inundation situation along rivers in the Andean region, notwithstanding scarcity of information. Local governments (e.g. municipalities) can use the flood hazard zoning maps for the sustainable management of alluvial plains, through the planning and implementation of structural or non-structural measures (e.g. land use planning) considering the physical conditions of the riverbanks.CuencaVol. 3; no. 1 (enero-junio 2012

Addressing sources of uncertainty in runoff projections for a data scarce catchment in the Ecuadorian Andes

Las proyecciones climáticas futuras de los modelos de circulación general (GCM) predicen una aceleración del ciclo hidrológico global a lo largo del siglo XXI en respuesta al aumento de las temperaturas inducido por el hombre. Sin embargo, las proyecciones de los GCM tienen una resolución demasiado burda para ser utilizadas en estudios locales de los impactos del cambio climático. Para hacer frente a este problema, se han desarrollado métodos de reducción de escala que transforman las proyecciones climáticas en conjuntos de datos de alta resolución para impulsar modelos de impacto como los modelos de lluvia-escorrentía. En general, se considera que la gama de cambios simulados por diferentes GCM es la principal fuente de variabilidad en los resultados de dichos estudios. Sin embargo, la cascada de incertidumbre en las proyecciones de escorrentía se alarga aún más por las diferencias entre los modelos de impacto, especialmente cuando la calibración robusta se ve obstaculizada por la escasez de datos. Aquí, abordamos la importancia relativa de estas diferentes fuentes de incertidumbre en una cuenca hidrográfica de cabecera poco monitoreada de los Andes ecuatorianos. Por lo tanto, forzamos 7 modelos hidrológicos con salidas a escala reducida de 8 GCM impulsados ​​por los escenarios de emisiones A1B y A2 durante el siglo XXI. Los resultados indican un probable aumento de la escorrentía anual para 2100 con una gran variabilidad entre las diferentes combinaciones de un modelo climático con un modelo hidrológico. Las diferencias entre las proyecciones de GCM introducen una incertidumbre relativa que aumenta gradualmente a lo largo del siglo XXI. Mientras tanto, las diferencias estructurales entre los modelos hidrológicos aplicados todavía contribuyen a un tercio de la incertidumbre total en las proyecciones de escorrentía de finales del siglo XXI y las diferencias entre los dos escenarios de emisiones son marginales.Future climate projections from general circulation models (GCMs) predict an acceleration of the global hydrological cycle throughout the 21st century in response to human-induced rise in temperatures. However, projections of GCMs are too coarse in resolution to be used in local studies of climate change impacts. To cope with this problem, downscaling methods have been developed that transform climate projections into high resolution datasets to drive impact models such as rainfall-runoff models. Generally, the range of changes simulated by different GCMs is considered to be the major source of variability in the results of such studies. However, the cascade of uncertainty in runoff projections is further elongated by differences between impact models, especially where robust calibration is hampered by the scarcity of data. Here, we address the relative importance of these different sources of uncertainty in a poorly monitored headwater catchment of the Ecuadorian Andes. Therefore, we force 7 hydrological models with downscaled outputs of 8 GCMs driven by the A1B and A2 emission scenarios over the 21st century. Results indicate a likely increase in annual runoff by 2100 with a large variability between the different combinations of a climate model with a hydrological model. Differences between GCM projections introduce a gradually increasing relative uncertainty throughout the 21st century. Meanwhile, structural differences between applied hydrological models still contribute to a third of the total uncertainty in late 21st century runoff projections and differences between the two emission scenarios are marginal

Stable water isotope tracing through hydrological models for disentangling runoff generation processes at the hillslope scale

Las laderas son los componentes dominantes del paisaje donde la precipitación entrante se convierte en agua subterránea, flujo de corriente o vapor de agua atmosférico. Sin embargo, es casi imposible observar directamente la partición del flujo en el suelo. Por lo tanto, se están utilizando modelos hidrológicos de laderas para investigar los procesos involucrados. Aquí informamos sobre un experimento de modelado que utiliza el Catchment Modeling Framework (CMF) en el que isótopos estables del agua observados en perfiles verticales de suelo a lo largo de un transecto de ladera de pastizales montañosos tropicales son trazados a través del modelo para resolver posibles procesos de mezcla. CMF simula el transporte advectivo de isótopos de agua estables 18O y 2H basándose en la ecuación de Richards dentro de una representación bidimensional completamente distribuida de la ladera. El modelo replica con éxito el patrón temporal observado de los perfiles de isótopos del agua del suelo (R2 0,84 y eficiencia Nash-Sutcliffe (NSE) 0,42). Los flujos previstos concuerdan bien con estudios previos. Destacamos la importancia de la recarga de agua subterránea y el flujo subsuperficial lateral poco profundo, que representan el 50 y el 16% del flujo total que sale del sistema, respectivamente. La escorrentía superficial es insignificante a pesar de las pendientes pronunciadas en la región de estudio ecuatoriana.Hillslopes are the dominant landscape components where incoming precipitation becomes groundwater, streamflow or atmospheric water vapor. However, directly observing flux partitioning in the soil is almost impossible. Hydrological hillslope models are therefore being used to investigate the processes involved. Here we report on a modeling experiment using the Catchment Modeling Framework (CMF) where measured stable water isotopes in vertical soil profiles along a tropical mountainous grassland hillslope transect are traced through the model to resolve potential mixing processes. CMF simulates advective transport of stable water isotopes 18O and 2H based on the Richards equation within a fully distributed 2-D representation of the hillslope. The model successfully replicates the observed temporal pattern of soil water isotope profiles (R2 0.84 and Nash–Sutcliffe efficiency (NSE) 0.42). Predicted flows are in good agreement with previous studies. We highlight the importance of groundwater recharge and shallow lateral subsurface flow, accounting for 50 and 16% of the total flow leaving the system, respectively. Surface runoff is negligible despite the steep slopes in the Ecuadorian study region

Assessment of hydrological pathways in East African montane catchments under different land use

Conversion of natural forest (NF) to other land uses could lead to significant changes in catchment hydrology, but the nature of these changes has been insufficiently investigated in tropical montane catchments, especially in Africa. To address this knowledge gap, we aimed to identify stream water (RV) sources and flow paths in three tropical montane sub-catchments (27-36 km2) with different land use (natural forest, NF; smallholder agriculture, SHA; and commercial tea and tree plantations, TTP) within a 1021 km2 catchment in the Mau Forest complex, Kenya. Weekly samples were collected from stream water, precipitation (PC) and mobile soil water for 75 weeks and analysed for stable isotopes of water (δ2H and δ18O) for mean transit time (MTT) estimation with two lumped parameter models (gamma model, GM; and exponential piston flow model, EPM) and for the calculation of the young water fraction. Weekly samples from stream water and potential endmembers were collected over a period of 55 weeks and analysed for Li, Na, Mg, K, Rb, Sr and Ba for endmember mixing analysis (EMMA). Solute concentrations in precipitation were lower than in stream water in all catchments (p < 0.05), whereas concentrations in springs, shallow wells and wetlands were generally more similar to stream water. The stream water isotope signal was considerably damped compared to the isotope signal in precipitation. Mean transit time analysis suggested long transit times for stream water (up to 4 years) in the three sub-catchments, but model efficiencies were very low. The young water fraction ranged from 13 % in the smallholder agriculture sub-catchment to 15 % in the tea plantation sub-catchment. Mean transit times of mobile soil water ranged from 3.2-3.3 weeks in forest soils and 4.5-7.9 weeks in pasture soils at 15 cm depth to 10.4-10.8 weeks in pasture soils at 50 cm depth. The contribution of springs and wetlands to stream discharge increased from a median of 16.5 (95 % confidence interval: 11.3-22.9), 2.1 (-3.0-24.2) and 50.2 (30.5-65.5) % during low flow to 20.7 (15.2-34.7), 53.0 (23.0-91.3) and 69.4 (43.0-123.9) % during high flow in the natural forest, smallholder agriculture and tea plantation sub-catchments, respectively. Our results indicate that groundwater is an important component of stream water, irrespective of land use. The results further suggest that the selected transit time models and tracers might not be appropriate in tropical catchments with highly damped stream water isotope signatures. A more in-depth investigation of the discharge dependence of the young water fraction and transit time estimation using other tracers, such as tritium, could therefore shed more light on potential land use effects on the hydrological behaviour of tropical montane catchments