Proyecto de Adaptación al Impacto del Retroceso Acelerado de Glaciares en los Andes Tropicales, (praa)

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1 Proyecto de Adaptación al Impacto del Retroceso Acelerado de Glaciares en los Andes Tropicales, (praa) Sistema de monitoreo para evaluar la disponibilidad de agua y evolución de los impactos asociados al cambio climático en la parte alta de la cuenca del río Guayllabamba y en las microcuencas Papallacta y Antisana ESTUDIO SOBRE CAUDALES ECOLÓGICOS

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3 Por favor citar este documento como se indica a continuación: Secretaría General de la Comunidad Andina, Ministerio del Ambiente (Ecuador) / Proyecto de Adaptación al Impacto del Retroceso Acelerado de Glaciares en los Andes Tropicales (PRAA), Fondo para la Protección del Agua (FONAG), Estudio sobre Caudales Ecológicos. Quito, EC. 62 p.

4 Estudio sobre Caudales Ecológicos NEWVI Integral Solutions Cía. Ltda. Octubre del 2011

5 Quito - Ecuador, Octubre 2011 Elaborado por: Daniela Rosero, Especialista en caudales ecológicos. Con el aporte técnico de: Ángel Muñoz, Asesor en cambio y variabilidad climáticos. Cecibel Campos, Especialista en SIG. Fiscalización: Jacqueline Cisneros, Coordinadora Programa Gestión del Agua FONAG Instituciones que contribuyeron: Ministerio del Ambiente del Ecuador (MAE)/ Proyecto de Adaptación al Impacto del Retroceso Acelerado de Glaciares en los Andes Tropicales (PRAA) / Proyecto de Adaptación al Cambio Climático a través de una Efectiva Gobernabilidad del Agua (PACC) Fondo para la Protección del Agua (FONAG) Empresa Pública Metropolitana de Agua Potable y Saneamiento (EPMAPS) Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología (INAMHI) Empresa Eléctrica Quito (EEQ-SA)

6 Contenido Antecedentes Introducción Objetivos Específicos... Error! Marcador no definido. 1.2 Área de Estudio Impactos de las Captaciones Integridad Ecológica Antes de las Captaciones Después de las Captaciones Análisis Comparativo Potencialidad de los Impactos Conclusiones y Recomendaciones Definición del modelo de Caudales Ecológicos Fundamento eco hidráulico Fundamento eco hidrológico Información base para el modelo Índice Lótico para la Evaluación del Flujo LIFE Hábitats viables para Invertebrados Cálculo del Caudal Ecológico Validación del régimen de caudales ecológicos Modelo de hábitats viables en la época húmeda Condiciones ecológicas Condiciones hidrológicas Modelo de Hábitats Viables e Índice LIFE Hábitats viables en la vertiente del Pacífico... 48

7 4.4 Conclusiones y Recomendaciones Efecto del cambio climático en el caudal ecológico Conclusiones y Recomendaciones Referencias Listado de imágenes Listado de tablas Anexo 1. Mapa de ubicación de los ecosistemas acuáticos en el área de estudio Anexo

8 Antecedentes Las captaciones de agua constituyen una de las infraestructuras de mayor importancia para el desarrollo de la humanidad. En el Ecuador como en el resto de los Andes, las principales ciudades se abastecen de agua proveniente de las cabeceras ubicadas en los Páramos. Así mismo, el desarrollo energético ha enfocado sus esfuerzos en la hidroelectricidad cuyos sitios de interés se ubican en puntos de altura para su aprovechamiento por gravedad. En diferentes periodos, los principales ríos de las unidad hídricas del río Guayllabamba y Papallacta han sido monitoreados por el FONAG, para conocer el impacto de las captaciones de agua aquí presentes. Este análisis se complementó en la actualidad, en el marco del convenio MAE/PRAA- FONAG, con los escenarios de los modelos de cambio climático con la finalidad de conocer las respuestas de la integridad ecológica frente a los cambios en la precipitación. Las captaciones en los ríos con buena integridad ecológica parecen enfrentar de mejor manera el impacto de la captación en el cauce mientras que los ríos de menor integridad ecológica que se ven más afectados. En la actualidad, no se puede asegurar el valor sobre o bajo el cual el río pierde su integridad ecológica, lo que se ha podido observar en este análisis es que con una reducción del 100% del caudal, todos los sitios después de las captaciones son vulnerables al cambio climático y esta condición se reduce en la medida en la que aparece la recarga natural. Como una respuesta a los efectos de las estructuras de captación se proponen los regímenes de caudales ecológicos. Este concepto ha sido probado como una medida de mitigación a diferentes escalas. En este análisis, se ha identificado el régimen de caudales ecológicos que demuestra que los invertebrados acuáticos tienen la posibilidad de enfrentar una mayor heterogeneidad de hábitats en la medida en que aumenta el caudal. Los resultados de este estudio constituyen los primeros acercamientos para la recuperación de ríos del Páramo Andino del Ecuador, específicamente los que conforman los sistemas de abastecimiento de agua potable. La información eco hidráulica referente a las preferencias de los invertebrados por las condiciones físicas de los hábitats es de momento específica del río y puede extrapolarse a ríos de similares caudales y sustratos. El modelo de simulación del hábitat consideró las variables físicas del hábitat como las condiciones básicas para seleccionar hábitats viables ya que otras condiciones ecológicas requieren todavía más investigación. Los resultados de este modelo deben validarse con información de otros ríos dentro del rango altitudinal y que compartan similar fauna acuática, bajo la Estudio Caudales Ecológicos 1

9 metodología de los hábitats viables se puede observar la respuesta de los invertebrados a los caudales extremos como el estiaje.la información hidrológica en cuanto a disponibilidad de agua y oferta natural son variables fundamentales a incluir en este estudio, ya que los hábitats viables podrán existir bajo una cantidad de agua que debe mantenerse en el ecosistema y que debe tener la variabilidad que las condiciones naturales ofrecen. La potencial reducción en la disponibilidad del agua significaría una menor posibilidad de que los hábitats viables se mantengan y alberguen a las poblaciones bióticas. A su vez, un aumento de las precipitaciones puede favorecer a la oferta natural y mantener hábitats viables en sitios afectados, sin embargo, los efectos del cambio del régimen hidrológico no se pueden generalizar y las respuestas solo pueden extrapolarse a un rango muy limitado. Los escenarios del cambio climático enfocados en el aspecto de la precipitación sugerirían por lo tanto que, los ecosistemas podrán mantener hábitats viables en la medida en que lo hagan sus comunidades bióticas en ecosistemas similares con variaciones comparables. 1. Introducción El consenso general mundial ha reconocido que el acceso al agua es la principal limitación en la creciente demanda humana y su desarrollo (WHO, 2003). Los casos de desertificación a lo largo del planeta han demostrado que el acceso al agua podría estar limitado en primera instancia por una alarmante disminución del recurso disponible (Postel, 2006). El transporte y transferencia de agua diferentes escalas, entre ríos, cuencas o países, ha buscado cubrir la necesidad en las zonas con déficit hídrico. El agua que proviene de un lugar, como resultado de los procesos ecológicos específicos de ese sitio (Allan y Castillo, 2007), posee una cierta calidad yes disponible en determinada cantidad, directamente relacionada con el buen estado del ecosistema o el estado de conservación (Postel, 2000).Las alteraciones humanas de las condiciones naturales de un río son por lo general, causas fundamentales para la pérdida de la integridad ecológica de todo el ecosistema acuático (Richter et al. 2003). Los procesos en los ríos sostienen a la vida de humanos y otros seres vivos, a través de la combinación de cantidades suficientes de agua en óptimas calidades, que recorren su camino en hábitats fluviales con ecosistemas de riberas en condiciones saludables (Pardo et al. 2002; Munneet al. 2003). En este estado, los servicios que proveen los ecosistemas acuáticos pueden verse en conflicto con la demanda por el agua como recurso, para abastecer servicios de agua potable, hidroelectricidad, riego y recreación. Este conflicto se traduce en un desequilibrio del balance hídrico natural Estudio Caudales Ecológicos 2

10 por las extracciones de todos los tipos de usos, que aumentan la probabilidad de perder la integridad ecológica y con ello las funciones ecosistémicas de los ríos. Cuando los umbrales de resistencia y resiliencia de los ecosistemas acuáticos son superados, los impactos ambientales en los ríos pueden ser negativos, no mitigables e irreversibles (Richter y Thomas 2007). La capacidad de los ecosistemas acuáticos de auto- mitigar y recuperarse de las alteraciones por actividades humanas, varía de forma espacial y temporal, por lo que su entendimiento significa valorar los límites de la integridad ecológica. Las actividades para el desarrollo, como los extensos complejos de transporte de agua para la generación de energía eléctrica, riego y agua potable, incluyen la alteración de muchos procesos en la naturaleza, como el ciclo del agua. La derivación, conducción y almacenamiento de las corrientes superficiales ola conformación de nuevas áreas de flujo subterráneo, puede favorecer la inundación, la pérdida de la capacidad de retención y recarga natural, o simplemente drenar un ecosistema acuático hasta la desertificación, estos son algunos de los procesos locales que ocurren por efecto directo o indirecto de la construcción de estas estructuras. A pesar de la extensiva proliferación de proyectos y obras de captación para diversos usos, poco o nada se conoce de los efectos puntuales de las estructuras sobre el ecosistema acuático terrestre, en países como Ecuador en donde su desarrollo se ha impulsado sobremanera en la última década. Además, de los efectos sobre los ecosistemas acuáticos y terrestres, la construcción y operación tradicional de las estructuras de captación ha venido experimentando una serie de efectos reversos relacionados a la acumulación de sedimentos, la disminución de los volúmenes de diseño y la pérdida de la calidad del agua, como parte de la eficiencia y capacidad de las obras de infraestructura (Rosero, 2005). En Ecuador como en varios países de América Latina, las fuentes de agua para abastecimiento humano de las principales ciudades, se ubican en ecosistemas de altura como los páramos (Buytaertet al., 2007). En el caso de las captaciones de agua, es común observar derivaciones a nivel de bosque, gracias a la protección de las zonas altas. Este es el caso de las captaciones de agua que se encuentra en los ríos Pita y San Pedro, ubicados en la cuenca del río Guayllabamba; en ríos como los mencionados se pueden encontrar captaciones o derivaciones del caudal a distintas alturas y pisos bioclimáticos (páramo y bosque montano). La presencia de flujo de agua a lo largo del año, con distintas temporalidades marcadas es una importante característica de los ríos del Valle Interandino. La hidrología de los ecosistemas Estudio Caudales Ecológicos 3

11 acuáticos en todo el Ecuador, está influenciada por una variabilidad climática con componentes asociables a distintas escalas espacio-temporales (Muñoz, Macías y García, 2010; SGCA, PRAA, Muñoz, 2010), que se determina por una fenomenología regional (Zona de Convergencia Intertropical, El Niño-Oscilación del Sur, Advección de humedad del Amazonas) y local, característica del tipo de ecosistema. El funcionamiento de los ecosistemas acuáticos depende de la variación natural del clima, bajo ciertas circunstancias de disminución de caudal, que a su vez, pueden aumentar en frecuencia o intensidad de acuerdo a cómo interactúen las señales de variabilidad y cambio climático, los organismos que habitan en los ecosistemas acuáticos han evolucionado y se han adaptado a estas condiciones (Muñoz, 2010; Muñoz, Macías y García, 2010; Muñoz, Recalde, Cadena et al., 2010). La capacidad de los ecosistemas acuáticos para resistir y mantenerse frente a los cambios naturales es una característica que los permite enfrentar alteraciones antropogénicas; la resiliencia y la resistencia son esta capacidad que se puede evaluar cuando se aplican diferentes medidas de mitigación ambiental. Los procesos clave de un ecosistema acuático pueden mantenerlo resiliente a la operación, tanto antes como después de las estructuras de captación, siempre que estos se consideren en la mitigación ambiental. El enfoque de mitigación depende del tipo de actividades que se ejecuten sobre los ríos y la medida en que éstas afecten al funcionamiento de los mismos (Petts y Bickerton, 1994; Poffet al. 1997). Entre las principales medidas de mitigación para las estructuras de captación se considera el flujo de agua que restaure la conexión del ecosistema. El trabajo de definir la cantidad o flujo de agua que debe haber en un cauce es una tarea compleja, sin embargo los resultados han sido probados a nivel mundial, y se ha observado la recuperación y restauración del funcionamiento de los ecosistemas acuáticos y la reducción de los conflictos entre el abastecimiento y la conservación (Poffet al. 2003). La creación de herramientas de mitigación que incluyan un nuevo acercamiento entre: la ecología, la hidrología y la ingeniería de la operación de las estructuras de captación, podrían ayudar a reducir el impacto de las intervenciones sobre los ecosistemas acuáticos lo que significa disminuir su pérdida y con ello el agua que proveen. En la unidad hídrica del río Guayllabamba y en algunos ríos de la unidad hídrica del río Papallacta las captaciones de agua extraen la totalidad del caudal del río (entre 95 y 98% del caudal). A pesar de la recarga natural o superficial y del regreso del caudal al cauce, gracias a las características de la zona que puede almacenar, retener grandes Estudio Caudales Ecológicos 4

12 cantidades de agua, y liberarlas de manera constante, existen tramos de los ecosistemas acuáticos que se han visto alterados y se desconoce su estado antes y después de las captaciones. El caudal ecológico surge como un concepto de la eco hidrología y la eco hidráulica que busca integrar las relaciones ecológicas del río con las condiciones hidrológicas (Fashchevsky, 1992). El caudal ecológico es la cantidad, calidad y régimen de caudales necesarios para sostener los ecosistemas acuáticos y también los bienes y servicios del ecosistema del cual depende la sociedad humana (Poffet al., 2010). La investigación sobre el régimen de caudales ecológicos ha evolucionado con mayor fuerza en países templados del norte y del sur que en el trópico. Estados Unidos, España, Nueva Zelanda y Australia se consideran países pioneros en la investigación e implementación (Dysonet al. 2003; Tharme, 2003). Sin embargo, Sudáfrica fue uno de los primeros países en incorporar este tema en su legislación y llevarlo a su aplicación a nivel nacional. En América Latina los esfuerzos para definir y proponer caudales ecológicos son aislados y se han limitado al nivel normativo, como en el caso de Brasil (Benettiet al. 2004). La mayoría de intentos realizados para establecer metodologías de fácil uso que arrojen resultados prácticos, han tenido éxito desde el punto de vista hidrológico pero han fracasado en el aspecto ecológico y social. En el Ecuador existen algunos esfuerzos por conservar los ecosistemas acuáticos luego de las intervenciones por captaciones para diferentes usos. En la cuenca alta del río Guayllabamba, a partir del año 2005 el Fondo para la Protección del Agua impulsó la preparación de una metodología basada en las presencia de invertebrados acuáticos en determinados rangos de velocidad del flujo (Rosero, 2005), para mantener caudales ecológicos después de las captaciones de San Rafael y Molinuco. En las captaciones de los ríos del Sistema Papallacta se propuso una metodología para definir los hábitats viables para invertebrados acuáticos y mantener un régimen permanente en el río que responda a las condiciones ecológicas e hidrológicas antes de las captaciones (Rosero et al. 2011). La principal limitación para determinar y proponer regímenes de caudales ecológicos, en países como el Ecuador, es la ausencia de información hidrológica. La importancia de las series hidrológicas históricas diarias es clave para diseñar los regímenes, mientras que con la información segmentada solo se puede hacer acercamientos temporales o estacionales (Poffet al., 2010). Para proponer un régimen de caudales ecológicos es necesario información ecológica que se pueda asociar a la información hidrológica, esta información también está ausente en muchos casos del Ecuador y Estudio Caudales Ecológicos 5

13 requiere una importante atención, en miras de implementar el caudal ecológico como medida de mitigación ambiental y conservación de los ecosistemas acuáticos. Los esfuerzos por generar metodologías aplicables a diferentes ecosistemas han dejado de lado la variación hidrológica temporal de los ecosistemas acuáticos, y es aquí donde las relaciones entre las variables físicas y las comunidades acuáticas caracterizan por ser complejas y específicas (Peckarskyet al., 2001). Entre más de 200 métodos para definir caudales ecológicos, los métodos holísticos se consideran incluyentes del tema ecológico y social, sin embargo la gestión de los resultados es un proceso que se puede llevar a cabo independientemente de las herramientas para su cálculo, es por esto que los métodos que se enfocan en las respuestas del ecosistema mediante la simulación de modelos, han sido los más implementados a nivel mundial (Bovee, 1989; Tharme, 2003). En este contexto, se propone uno de los primeros análisis comparativos de los efectos de las captaciones para la estimación del régimen de caudales ecológicos, con la finalidad de ofrecer una medida de mitigación del impacto ambiental actual y su potencialidad en diferentes escenarios del cambio climático, estimados para el Ecuador. Si el impacto actual de las captaciones ha sobrepasado el umbral de resiliencia de los ecosistemas acuáticos, su capacidad de respuesta será menor frente al aumento de la variabilidad climática y el cambio climático. Por otro lado, si se mantienen ciertos aspectos clave del ecosistema acuático, un régimen de caudales ecológicos puede aumentar la resiliencia para enfrentar los posibles cambios previstos en los escenarios. Para responder estas incógnitas, se comparará la integridad ecológica entre los sitios antes y después de las captaciones de los ríos, posteriormente se identificarán regímenes de caudales ecológicos (temporales/estacionales) para compararlos con la variabilidad climática natural y el cambio climático, finalmente se evaluará la capacidad de esta herramienta de mitigación como una medida de adaptación al cambio climático. 1.1 Objetivos Específicos Definir la integridad ecológica de los ríos y evaluar el impacto actual de las captaciones, y la potencialidad de este impacto frente a cambios asociados a la variabilidad climática y al cambio climático. Estudio Caudales Ecológicos 6

14 1.1.2 Definir un modelo para conocer el régimen de caudales ecológicos con la retroalimentación de la información hidrológica que se genere a futuro Definir un régimen de caudales ecológicos para mantener los hábitats viables en los ríos y evaluar su efecto como medida de adaptación frente a la variabilidad climática y al cambio climático. 1.2 Área de Estudio El área de estudio se ubica en las unidades hídricas del río Guayllabamba y del río Papallacta, en los principales cauces: ríos Nieves Toma, San Pedro, Pita, Tuminguina, Tambo y Papallacta. Los ríos analizados para evaluar el impacto de las captaciones fueron los ríos San Pedro, Pita y Tuminguina, y la propuesta del régimen de caudales ecológicos se realizó para los ríos Papallacta, El Tambo y Nieves Toma. Los sitios de interés para la investigación forman parte de los sistemas de agua potable que abastecen al Distrito Metropolitano de Quito y de las centrales hidroeléctricas de la Empresa Eléctrica Quito. Las captaciones de agua potable se ubican en el los ríos Pita y Tuminguina en una altitud media de 3200 msnm, en donde la vegetación dominante son arbustos y pasto. La captación en el río Tuminguina abastecía al Sistema de Papallacta, que se encuentra en el área de influencia de la Reserva Ecológica Antisana, sin embargo el flujo de este río dejo de ingresar al sistema debido a su alta carga de arsénico natural (observación personal). La captación de agua potable en el río Pita se ubica en el sector del Pedregal en la zona de influencia del Parque Nacional Cotopaxi y abastece al Sistema Pita Tambo. Las captaciones para generación hidroeléctrica se ubican en los ríos Pita y San Pedro en un rango altitudinal de 2800 msnm, estos sitos presentan vegetación compuesta por arboles exóticos y nativos, matorrales y especies rastreras, y se ubican dentro de haciendas privadas. La captación del río San Pedro se conoce como la Bocatoma de San Rafael y abastece al Reservorio de Guangopolo que alimenta las Centrales en cascada de Guangopolo - Cumbaya - Nayón. El río San Pedro constituye el límite cantonal entre Quito y Rumiñahui y los sitios de estudio se ubican en: antes de la captación a 1300 m, en la zona de Fajardo; y después de la captación en la zona de La Armenia. La captación del río Pita se conoce como la captación de Molinuco que Estudio Caudales Ecológicos 7

15 abastece a la Central Hidroeléctrica Los Chillos, los sitios se ubican antes de la captación a 200 m del dique y después de la captación a 13 m del dique. El río Papallacta constituye el principal afluente de la unidad hídrica del mismo nombre y es captado en dos ocasiones, una para proveer el servicio de hidroelectricidad y posteriormente para dotar agua potable. El río es captado en la zona de ingreso al Parque Nacional Cayambe Coca por parte de la Empresa HCJB, posteriormente luego de ser turbinado, el caudal regresa a su cauce y aquí se encuentra la captación de agua de los reservorios del sistema del mismo nombre. Los ríos Tambo y Nieves Toma analizados como sitios control para la definición de regímenes de caudales ecológicos se ubican, el primero en la Reserva Ecológica Antisana mientras que el segundo en la zona de influencia de la Reserva Ecológica Los Illinizas, estos ríos no han sido intervenidos por captaciones, sin embargo se conoce de la presencia de ganado en las cuencas (observación personal). Las condiciones climáticas de las unidades hídricas son muy particulares y las condiciones de uso de suelo son especialmente distintas. Las unidad hídricas (Papallacta, Chalpi Grande, Quijos, etc.) en la Vertiente Atlántica se ubican en la franja oriental de la Cordillera de los Andes que recibe toda la humedad y viento de la región Amazónica; la altitud, la vegetación y la capa orgánica de esta cadena montañosa favorecen la presencia de un ecosistema que retiene el agua proveniente de la precipitación (páramo). Estas condiciones favorecen la recarga natural en todos los niveles, a pesar de estar en zonas de cabecera estos ríos son alimentados por el escurrimiento superficial y subterráneo, lo que los mantiene como caudalosos. Las unidades hídricas (Pita, San Pedro, Carihuaycu, etc.) se ubican en la franja occidental de la cordillera y reciben la humedad, viento y precipitación de la Vertiente Pacífica, sin embargo, las condiciones difieren en el uso del suelo de estas unidades hídricas y en el nivel de conservación de los ecosistemas circundantes. Mientras que en la zona oriental aproximadamente el 80% de micro cuencas están bajo algún nivel de protección, en la zona occidental solo el 17% de unidades hídricas estudiadas están bajo protección, Anexo Impactos de las Captaciones El análisis de los impactos de las captaciones se puede llevar a cabo con diferentes metodologías comparativas en el espacio o temporales. Evaluar los sitios se puede considerar distintos niveles de intervención en uno o varios ríos, esto se puede lograr Estudio Caudales Ecológicos 8

16 al comparar ríos no intervenidos o control y ríos intervenidos o impactados, en donde se encuentran los sitios antes y después de las captaciones (Downeset al., 2003). En el análisis comparativo de la integridad ecológica de los ecosistemas acuáticos en estudio, la temporalidad es un factor con el que se cuenta y que conocer la variabilidad natural de las condiciones climáticas. En la zona de estudio, se cuenta con diferentes períodos de información para los distintos ríos: Pita en Pedregal (2004), Pita en Molinuco ( , 2011), San Pedro en San Rafael ( , 2011), Tuminguina ( , 2011), Nieves Toma y Tambo (2011). A pesar de que los datos corresponden a fechas distintas, este análisis se centra en la capacidad de cada ecosistema (río o tipo de río) para responder a los efectos de las captaciones y al cambio climático. Los elementos del ecosistema que conforman la integridad ecológica son varios y pueden seleccionarse en función de los intereses o información disponible. En este caso, se tomó en cuenta factores abióticos y bióticos que se podían comparar entre ríos y sitios: hidrología, morfología de los cauces, calidad química del agua y la calidad biótica del agua. El principal factor biótico que se tomó en cuenta para todo el análisis fue: los invertebrados acuáticos, conocidos por su relativa fácil colección e identificación y susceptibles a los diferentes impactos ambientales. Estos aspectos de los ecosistemas acuáticos se integraron a la información sobre variabilidad climática (Muñoz, Macías y García, 2010; Muñoz, Recalde, Cadena et al., 2010) y resultados del análisis de escenarios de cambio climático para el Ecuador (SGCA, MAE/PRAA- FONAG, 2010) por Muñoz, para obtener la respuesta potencial de la integridad ecológica del sistema. 2.1 Integridad Ecológica El concepto de integridad incluye varios aspectos que permiten el funcionamiento del ecosistema acuático. En este análisis se consideró aspectos físicos, químicos y biológicos para seleccionar las variables de un complejo de interacciones ecológicas que determinan la integridad ecológica (Alan y Castillo, 2007). En los sitios de las captaciones, la variable directriz y fundamental es el caudal como el aspecto hidrológico del estado de los procesos en el ecosistema, y a partir de la cual se desarrollan dichos procesos. En la Imagen 2 se presenta el enfoque de integridad ecológica a partir de la hidrología (caudal m 3. s -1 ), que define las condiciones físicas del río, como el tipo de sustrato (arena, limo, gravas, cantos, bloques, roca madre), el nivel de profundidad (m) y la velocidad de la corriente (m. s -1 ), estas condiciones y el caudal Estudio Caudales Ecológicos 9

17 a su vez determinan la presencia de elementos como el oxígeno disuelto (mg. l -1 ), la temperatura del agua ( C), los nutrientes (mg. l -1 )(fosfatos, nitratos, sulfatos) y minerales (mg. l -1 )(calcio, sílice, hierro y arsénico), y finalmente definen el tipo de comunidad de invertebrados acuáticos que habitan en estas condiciones. La comunidad de invertebrados se puede evaluar mediante índices bióticos que representan el estado general de un sitio; existen índices a nivel mundial que se han adaptado a las condiciones específicas de una zona bioclimática, como el Índice Río Papallacta 3 2 m3/s Hidrología (Caudal) 1 0 E F M A M J J A S O N D Física del Cauce (Sustrato, Profundidad y Velocidad) PO4 + Química del Agua (O 2, T, Nutrientes, Minerales) Ca O2 Calidad Biótica (Comunidad de Invertebrados) Imagen 1. Enfoque de integridad ecológica de ríos para sitios de captación de agua. Biótico de los Andes (Acosta et al., 2009) (Anexo 2) Antes de las Captaciones La evaluación de la integridad ecológica de los ríos captados demuestra que el nivel de intervención de los ecosistemas terrestres circundantes determina, en gran parte, el estado del ecosistema acuático. Los ecosistemas acuáticos que están bajo manejo como conservación y protección (control), presentan mejor integridad ecológica que los ecosistemas acuáticos intervenidos y bajo ningún manejo ambiental (impactados). Los sitios de captación de agua potable que se ubican en la parte alta (páramo/bosque), presentan mejor estado de la integridad ecológica mientras que las Estudio Caudales Ecológicos 10

18 captaciones para hidroelectricidad que se ubican en la parte baja y media (bosques/pastizales/construcciones) están mayormente afectados. La integridad ecológica en Pita (Pedregal Parque Nacional Cotopaxi) y en Tuminguina (Papallacta Reserva Ecológica Antisana) es muy buena, en Pita (Molinuco Hacienda Santa Rosa) es buena y en San Pedro (Fajardo zona poblada) es mala. Estos resultados demuestran que las condiciones del ecosistema terrestre están asociadas a la calidad biótica del agua y por ello al tipo de uso al que se destina el agua. El consumo humano requiere condiciones físico químicas y biológicas de gran calidad, no así la generación hidroeléctrica en donde éstas no son un factor determinante para la operación. En general, los sitios de captación para agua potable presentan una integridad ecológica muy buena y los sitios de captación para generación hidroeléctrica presentan una integridad ecológica media - mala. En un análisis de forma independiente de las variables, observamos que el caudal y las condiciones físicas de los ríos son en óptimas, hasta el sitio de la captación y las condiciones químicas y biológicas cambian en distintos puntos hasta la captación. El análisis integral de todas estas variables nos ofreció una idea clara del estado de los ríos antes de las captaciones y cómo cambian después de las estructuras. Los ríos Tuminguina en Papallacta y Pita en Pedregal presentan una morfología estable con sustrato dominado por bloques y cantos, las riberas están compuestas de vegetación nativa con pajonales y pequeños arbustos; el agua presenta altas concentraciones de oxígeno disuelto y bajas temperaturas al igual que las concentraciones de nutrientes y minerales, característico de nacientes de ríos con origen volcánico. El río Tuminguina presenta elevadas concentraciones de arsénico, hierro y sílice mientras que el río Pita no. La calidad biótica de estos sitios es buena (> 100 = buena) según el puntaje del Índice Biótico de los Andino. ABI (Acosta et al., 2009), Tabla 1. Calidad ABI Significado Buena >150, * Aguas muy limpias a limpias Aceptable Aguas ligeramente contaminadas Dudosa Aguas moderadamente contaminadas Estudio Caudales Ecológicos 11

19 Crítica Aguas muy contaminadas Muy crítica <15 Aguas fuertemente contaminadas Tabla 1. Puntajes y criterios de la clasificación de la calidad biótica del agua en ríos Alto Andinos Los ríos Pita en Molinuco y San Pedro en Fajardo presentan una morfología menos estable con sustratos dominados por cantos, grava y limo; las márgenes y riberas están intervenidos y se aprecia pasto y árboles de especies exóticas (ciprés y eucalipto). La calidad del agua, en el caso de Pita en Molinuco, tiene altas concentraciones de oxígeno disuelto y temperaturas moderadas, pero una importante presencia de nutrientes como los sulfatos con concentraciones> 190 ppm. La calidad del agua del río San Pedro tiene bajas concentraciones de oxígeno disuelto y temperaturas moderadas (16 19 C), así mismo se tiene una fuerte presencia de nutrientes como nitrógeno amoniacal, sulfatos y fosfatos, Tabla 2. Como resultado de las condiciones físicas de los cauces y la calidad química del agua, el río Pita en Molinuco tiene una calidad biótica aceptable (70 99 = aceptable) mientras que el río San Pedro en Fajardo tiene una calidad biótica dudosa (30 69 = dudosa). Pita (Pedregal) Tuminguina Pita (Molinuco) San Pedro A D A D A D A D Caudal máx (l/s): Caudal (l/s): mín Caudal medio (l/s): Ancho (m) : Tipo sustrato: de Bloque Bloque Bloque Bloque Bloque Cantos Cantos Limo Profundidad (m): Velocidad Estudio Caudales Ecológicos 12

20 (m/s): Oxígeno: disuelto (ppm): Temperatura C: Nitratos (ppm): Nitritos (ppm) Sulfatos (ppm): Hierro (ppm): Arsénico (ppm): Índice ABI: # familias: Densidad (ind/m 2 ): Tabla 2. Valores promedio de las variables consideradas para definir la integridad ecológica. A: antes de la captación D: después de la captación Fuente: Bases de datos FONAG, Después de las Captaciones La integridad ecológica de los ríos después de las captaciones, en general, es aceptable ya que está directamente relacionada a la recarga natural que reciben los ríos a medida que se alejan de la captación. El caudal de todos los ríos después de las captaciones cambia y se reduce en un promedio de 90%. Un caso especial, ocurre con el río Tuminguina en Papallacta que desde el año 2006, el agua pasa sobre esta captación sin que esta lo desvíe y el río se mantiene posteriormente en su cauce natural. Esta condición especial, se debió a las altas concentraciones de arsénico natural de este ecosistema acuático, como se mencionó anteriormente. A parte de este caso, el resto de captaciones reducen todo el flujo del río San Pedro y en el río Pita en dos puntos del recorrido del río. Estudio Caudales Ecológicos 13

21 Después de las captaciones, el caudal y la física de los cauces son alteradas inmediatamente en todo los casos, sin embargo, como se puede ver en el caso del río Tuminguina en Papallacta, Imagen 3, a pesar de estas fuertes modificaciones la integridad ecológica es buena cuando el caudal se ha restaurado en el cauce. La química del agua como se mencionó para este caso, presenta arsénico natural de origen volcánico, sin embargo, la comunidad de invertebrados de este río se ha adaptado a estas condiciones y la presencia de nutrientes y minerales favorece la morfología de estos organismos, ya que se pudo encontrar ejemplares de gran tamaño asociados a los sustratos de sílice y calcio. Imagen 2. Ubicación de la captación de agua potable en el río Tuminguina en Papallacta. En el río Pita en Pedregal el caudal captado en su totalidad deja al cauce seco, esto no favorece al transporte de nutrientes y minerales, y se produce una gran acumulación que inicia un proceso de descomposición orgánica e inorgánica muy lento. Después de la captación, las márgenes están modificadas y el agua que se acumula en pozas por precipitación o desbordes, no registra velocidades y su profundidad es muy baja; la temperatura y la concentración de oxígeno disuelto también lo son: 9.5 C y 5 ppm, respectivamente, mientras que entre los nutrientes, los sulfatos 366±11 ppm aumentan en este sitio. Las concentraciones de minerales no se registraron en este sitio pero debido a su conservación se estima una situación similar a los ríos de nacientes en áreas protegidas. La calidad biótica del agua después de la captación, es aceptable y se observa básicamente, una reducción del número de grupos o familias de invertebrados. Después de la captación en el río Pita en Molinuco, al igual que en Pedregal, no se tiene caudal y la poca recarga natural es desviada hacia la captación. En Molinuco, el Estudio Caudales Ecológicos 14

22 agua que queda en el cauce del río Pita está represada entre los cantos y el limo acumulado, Imagen 4. La profundidad es muy baja y la velocidad es nula, el ancho del cauce se reduce considerablemente de 6.7 a 2.9 m y las riberas cambian de bosque a pastizal (quicuyo), Imagen 3. Río Pita en Molinuco después de la captación para la central hidroeléctrica Los Chillos La calidad química del agua presenta un ligero aumento de la temperatura y se observan bajas concentraciones de oxígeno disuelto, no se cuenta con datos de la concentración de minerales, mientras que en cuanto a nutrientes se observó altas concentraciones de nitratos y sulfatos 27 y 400 ppm, respectivamente. La calidad biótica del agua es crítica y el número de familias de invertebrados desciende dramáticamente. Las condiciones del río San Pedro después de la captación, cambian en mayor proporción que los demás sitios. En este punto, no existe caudal remanente y tampoco recarga natural, el cauce se reduce de 9 a 3 m de ancho y las modificaciones en el lecho del río son extremas; el agua que circula en este sitio por efecto de una fuga en las compuertas, tiene velocidades y profundidades bajas que se mantienen en un lecho compuesto principalmente de limo; la calidad química del agua es mala con una presencia elevada de nitratos y sulfatos:17 ppm y 546 ppm, los niveles de oxígeno disuelto son muy bajos y la temperatura está cerca de los 19 C. Estas condiciones no favorecen la vida acuática por lo que la calidad biótica es muy crítica. 2.2 Análisis Comparativo Luego de evaluar el estado de los sitios antes y después de las captaciones, se puede apreciar que existen condiciones que se mantienen y que son comunes para una buena integridad ecológica. En el análisis comparativo se busca relacionar los efectos de las acciones que ocurren en los ríos, con el nivel de impacto al que están Estudio Caudales Ecológicos 15

23 sometidos los sitios de referencia o control, además esta metodología permite comparar entre ríos para identificar los factores comunes de análisis y las posibles generalizaciones. Esta metodología (BACI: Before/After Control/Impact) por Downeset al., 2003, se aplicó considerando la intervención antropogénica y el estado de la cuenca para establecer los sitios no impactados (control) e impactados. Los distintos puntos se agruparon en: sitios cercanos a las áreas protegidas y que se encuentran bajo un menor nivel de intervención (Tuminguina y Pita en Pedregal), y sitios en las áreas rurales y de urbanización que están sometidos a una fuerte intervención (Pita en Molinuco y San Pedro). En la Imagen 4, se esquematizó la distribución de los sitios de acuerdo a la metodología para hacer más lógica su comparación. Control Impactado Antes Captación Captación Después Imagen 4. Esquema de la metodología para el análisis de impactos en ríos. Como primer resultado del análisis comparativo se tuvo que la integridad ecológica es totalmente distinta para los ríos control o no intervenidos y los ríos impactados, posteriormente también se encontró que los sitios después de las captaciones tiene una integridad ecológica menor a la de los sitios antes de las capaciones. A partir de esto, se combinaron las opciones y se estableció las características de cada sitio al Estudio Caudales Ecológicos 16

24 que corresponde cada río, Tabla 3. A través de un análisis estadístico, se pudo observar con la temporalidad de la información que los sitios después de las captaciones disminuyen su integridad ecológica y que los efectos antrópicos incrementan la probabilidad de que las captaciones eliminen el ecosistema acuático en estos puntos. Es decir, con una alta significancia estadística, todas las variables de la integridad ecológica disminuyeron para los sitios después de las captaciones de los ríos impactados. El análisis estadístico evidenció que dentro de la integridad ecológica, las variables que mayormente se alteran fueron las físicas y el caudal del cauce, para todos los ríos (control e impactados), mientras que en las variables químicas se observó diferencias significativas entre los sitios (antes/después) en los ríos impactados (San Pedro y Pita en Molinuco). Las diferencias más fuertes a nivel estadístico se observaron para la calidad biótica en los sitios antes/después de los ríos impactados. BACI Control Impactado Antes Ríos sin intervenciones antrópicas excepto las captaciones. Sitios aguas arriba de las captaciones. Ríos con intervenciones antrópicas además de las captaciones. Sitio aguas arriba de las captaciones. Después Sitios aguas abajo de las captaciones, en ríos sin intervenciones antrópicas, excepto la captación. Sitios aguas abajo de las captaciones, en ríos con intervención antrópica además de las captaciones. Ejemplos - Pita en Pedregal - Tuminguina en Papallacta - Pita en Molinuco - San Pedro en Fajardo Tabla 3. Clasificación BACI para los sitios de estudio en los ríos Pita, San Pedro y Tuminguina. Estudio Caudales Ecológicos 17

25 CA/CD IA/ID Diferencias Pita Tuminguina Pita San (Pedregal) (Molinuco) Pedro Hidrología del río % de caudal - x x x x removido Física del río ancho - x x x x sustrato - x x x profundidad - x x x velocidad - x x Química del agua oxígeno disuelto - x x temperatura x nitratos + x x nitritos + x x sulfatos + x x hierro x x arsénico x Calidad Biótica Índice ABI - x x # familias - x x x densidad + x x x x diversidad S - x x Tabla 4. Diferencias estadísticas entre sitios de ríos control e impactados. CA/CD comparación entre sitios antes y después en ríos control IA/ID comparación entre sitios antes y después en ríos impactados (+) el parámetro aumenta entre los sitios (-) el parámetro disminuye (x) sitios antes y después de las captaciones, que presentan las diferencias estadísticas entre sí. ( ) No existe información disponible Estudio Caudales Ecológicos 18

26 El efecto de las captaciones en los ríos Pita en Molinuco y San Pedro, produce un impacto negativo, irreversible y no ha sido mitigado. El impacto de las captaciones en los ríos Pita en Pedregal y Tuminguina es negativo, irreversible pero se ha mitigado en parte debido a la recarga natural en el río Pita y por la restauración del caudal al cauce del río Tuminguina. En resumen, los resultados comparativos de la metodología indican que los ecosistemas acuáticos en los sitios control/antes presentan una mejor integridad ecológica en comparación con los sitios control/después que se ven afectados principalmente en los aspectos físicos del ecosistema, reducción del ancho del cauce. Los ecosistemas acuáticos de los sitios impactados/antes tienen una mejor integridad ecológica que los sitios impactados/después, y el efecto se observa en una física del cauce inestable, una calidad química del agua mala y una calidad biótica crítica. El tipo de impacto en todos los ríos es negativo e irreversible, el posible efecto sinérgico de la alteración de la hidrología en todas las variables del ecosistema puede potencializar el efecto en los sitios impactados/después principalmente, sin embargo una evaluación detallada de las respuestas puede brindar un mejor acercamiento. 2.3 Potencialidad de los Impactos Para evaluar el impacto de las captaciones a través de los cambios en la integridad ecológica se aplicó una matriz de evaluación de impactos ambientales (Leopold, 1971), en donde se incorporaron las salidas de los modelos de cambio climático (TL959, ETA, PRECIS). Tabla 5. Mediante una matriz de presencia/ausencia y una ponderación de los impactos observados en la sección anterior, se pudo evaluar las amenazas actuales para el funcionamiento y recuperación de los sitios en los ecosistemas acuáticos y estimar el cambio según los escenarios más probables. La variable de mayor interés que fue seleccionada para el análisis de los impactos de las captaciones y su respuesta frente al cambio climático fue la precipitación, sin embargo, se considera que la variable idónea para este caso sería la variabilidad hidrológica natural. Los resultados encontrados demostraron que la recarga natural y la restauración del flujo en el cauce aumenta la integridad ecológica lo que se traduce en un aumento de la resiliencia y la resistencia de los ecosistemas acuáticos. A través de ciertas funciones que tienen lugar gracias a este fenómeno, los ríos brindan servicios ecosistémicos como la auto-purificación, la evaporación, la retención de sedimentos y los ciclos biogeoquímicos. En todos los ecosistemas, así como en el páramo y el Estudio Caudales Ecológicos 19

27 bosque nublado la recarga natural es la respuesta de un complejo de interacciones entre la precipitación, la infiltración y la evapotranspiración. La magnitud de estas variables estará definida por la variabilidad climática que disminuye o incrementa escorrentía superficial y la recarga natural para que los ecosistemas acuáticos hagan frente a los cambios antrópicos y naturales. De acuerdo con los impactos observados en la integridad ecológica luego de las captaciones, la lógica sugiere la reducción del nivel freático que mantiene la recarga natural del río aguas abajo. Si la recarga superficial o subterránea disminuye, se reduce la integridad ecológica de los ecosistemas acuáticos aguas abajo de las captaciones, lo que significa una menor capacidad de recuperación al impacto, por lo que, los sitios control/después se volverían vulnerables y su integridad ecológica podría ser similar a la de los sitios impactados/después. En los sitios impactados/después una reducción de la precipitación disminuiría los caudales, lo que significa menor autodepuración. Tanto los sitios impactado/antes como impactado/después estarían en menor capacidad de recuperarse y la integridad ecológica del río en general seguiría en detrimento a medida que disminuya la escorrentía superficial y la recarga natural. El impacto actual en todos los sitios después de las captaciones se puede potenciar si las posibilidades de recibir precipitación y flujo disminuyen. Existiría además un aumento de la acumulación de materia orgánica y de sedimentos, que por su lenta descomposición podrían convertirse en focos de contaminación con potencial peligro para la salud. Ésta, como otras respuestas pueden ocurrir frente a la disminución de la recarga natural incluso para sitios control. La relación entre la magnitud de los impactos y la escorrentía natural es estrecha y se ha observado, tanto en los sitios control como en los impactados. La variación en la escorrentía como respuesta a la variación de la precipitación es por consiguiente una relación que se puede asociar con los impactos de las captaciones. La Tabla 5 presenta un resumen de las salidas de los modelos de Cambio Climático para el Ecuador (SGCA, MAE/PRAA, FONAG, 2010 por Muñoz), con las que se relacionaron los impactos para estimar su potencialidad. Los resultados reportados aquí pertenecen únicamente a las condiciones climáticas previstas para el Callejón Interandino. Para considerar la Tabla 5, es necesario mencionar el trabajo de SGCA, MAE/PRAA, FONAG, 2010 por Muñoz, en donde claramente se destaca que las salidas de los modelos presentan grandes incertidumbres, especialmente ETA y PRECIS. Las salidas del modelo TL959 están consideradas para el futuro cercano Estudio Caudales Ecológicos 20

28 (Antes de 2050), mientras que ETA y PRECIS está para el futuro lejano (>2079). Cabe mencionar que se ha observado que las resoluciones espaciales no son iguales y que se consideran las tendencias de cambio climático, pero no la variabilidad climática natural. Modelo Precipitación Temperatura TL959 Incremento de la intensidad en la vertiente Pacífica y decremento en la vertiente Atlántica Incremento 1.2 C de ETA Incrementos a lo largo de todo el año. Incremento de 1 y 2 C PRECIS Incremento de la intensidad y decrementos localizados en Pichincha y Cotopaxi Incremento 2 C de Tabla 5. Resumen de las salidas de los modelos de Cambio Climático para el Callejón Interandino Tomado de SGCA, MAE/PRAA, FONAG, 2010 por Muñoz. Este análisis consideró la intensidad de precipitación, tomando en cuenta la diferencia con la precipitación total, lo que en conjunto puede tener interesantes efectos en las respuestas de los ecosistemas. El incremento de la intensidad de precipitación puede no significar necesariamente un incremento en la precipitación total. Incremento en la Intensidad de Precipitación En caso de que exista un incremento temporal en la precipitación la variación en la hidrología tendría posteriores efectos en la integridad ecológica, Tabla 5, como se ha observado en los acápites anteriores. Los sitios control/antes e impactado/antes estarían sujetos principalmente a los cambios en la estacionalidad de la hidrología Estudio Caudales Ecológicos 21

29 mientras que no así los sitios control/después e impactado/después, Tabla 5. Por otro lado, los sitios control/después e impactado/después podrían verse favorecidos por el aumento de la precipitación, ya que la escorrentía podría superar el límite del lecho del río y la capacidad de las captaciones, desbordando hacia los cauces secos. La escorrentía sobrante y la posterior recarga natural reduciría la acumulación de nutrientes y los focos de contaminación con el potencial de favorecer nuevos hábitats. Bajo las condiciones de incremento de la intensidad de precipitación, en la vertiente Pacífica, la integridad ecológica de los ríos Pita y San Pedro específicamente, los sitios control/antes y control/después, podrían recibir un mayor aporte de recarga natural que mantenga los procesos ecológicos básicos como la dilución y transporte de nutrientes y sedimentos. En los sitios impactados/antes el incremento de la intensidad de precipitación favorecería la limpieza de las márgenes y generaría nuevos hábitats para más organismos. Sin embargo, en los sitios impactado/después la limpieza podría ser beneficiosa siempre y cuando la física del cauce se recupere y permita una adecuada dirección del flujo. En el caso de que las captaciones aumenten su capacidad de captación y restrinjan exceso de caudal, la precipitación por sí sola no podría eliminar la acumulación y estancamiento de sedimentos en pozas que se observa actualmente. Decremento en la Intensidad de Precipitación La integridad ecológica del río Tuminguina se vería afectada por el decremento de la intensidad de precipitación en la vertiente Atlántica. El sitio control/antes podría experimentar una reducción del cauce, de su concentración de oxígeno disuelto y con ello de la calidad biótica del agua. El sitio control/después estaría sujeto a los similares efectos que podrían ocurrir antes de la captación, con el agravante de que una reducción del caudal puede eliminar la capacidad de transporte de sedimentos y nutrientes del río lo que constituye la fuente energética más importante para la mayoría de invertebrados acuáticos. En el caso de las predicciones en un futuro lejano (100 años) el decremento de la intensidad de las precipitación en las regiones de Cotopaxi y Pichincha, afectaría directamente la integridad ecológica de los sitios control/antes y control/después e impactado/antes y después por los efectos antes mencionados. Como hemos visto a través de los resultados analizados, el cambio de la variabilidad hidrológica implica un cambio en la integridad ecológica. Estudio Caudales Ecológicos 22

30 Los efectos detallados de las salidas de los modelos de cambio climático sobre las variables que componen la integridad ecológica, se presentan en la Tabla 6. El impacto se ha valorado en una escala de 1 a 3, sin considerar el 0 ya que de acuerdo a los datos obtenidos, todas las captaciones generan un impacto ya sea este mayor o menor. Los puntajes correspondientes a la mayor intensidad del impacto se califican con 3, mientras que la menor intensidad con 1, las intensidades de los impactos cambian de acuerdo al componente de la integridad ecológica sobre el que actúan las captaciones y las condiciones de precipitación de los modelos de cambio climático. En el análisis de la variabilidad del cambio climático en función de los escenarios de los modelos se tomó en cuenta las predicciones para un futuro medio y lejano. Decremento de la Precipitación Aumento de la Precipitación Pita en Pedregal Tuminguina Pita en Molinuco San Pedro Pita en Pedregal Tuminguina Pita en Molinuco San Pedro Antes Después Antes Después Antes Después Antes Después Antes Después Antes Después Antes Después Antes Después Hidrología Caudal Medio Caudal Máximo Caudal Mínimo Integridad Ecológica Física Química Biología Ancho Profundidad Velocidad Tipo de Sustrato Oxígeno Disuelto Temperatura Nitratos Nitritos Sulfatos Hierro Arsénico Índice ABI # familias Densidad Tabla 6. Matriz de la intensidad de los Impactos Ambientales de las captaciones en la integridad ecológica de los ríos bajo los escenarios de los modelos de Cambio Climático para el Ecuador. Estudio Caudales Ecológicos 23

31 La Tabla 6, indica la dirección e intensidad de los cambios que producen las captaciones según los escenarios de incremento o decremento de la intensidad de precipitación. En general, se puede ver que el decremento de la precipitación significa una fuerte alteración de la capacidad de resistencia de los ecosistemas al impacto ya causado por las captaciones. Entre las evidencias de este efecto, se puede ver que el decremento de precipitación modificaría los caudales máximos que representan para los sitios después de las captaciones, la oportunidad de limpieza y restauración puntual. A nivel de detalle, el incremento de la precipitación significa para las velocidades y la profundidad un desplazamiento a valores más elevados, esto también tiene repercusiones para los sedimentos y los invertebrados acuáticos que sufren abrasión y arrastre. Sin embargo, estas características han definido las estrategias de vida de varios grupos que se han adaptado a condiciones extremas que ocurrirían en este escenario. El cambio de la integridad ecológica, es el resultado del impacto de las captaciones que es susceptible al aumento o decremento de la precipitación, los efectos positivos o negativos en las variables ecológicas finalmente definen si la integridad ecológica aumenta o disminuye en dichos escenarios, Tabla 7 y 8. En un primer análisis se presenta únicamente la respuesta del ecosistema a los impactos actuales, sin embargo estas consideraciones no han incluido la presión antropogénica, que puede representar el mayor riesgo para estos ecosistemas. Como se ha mencionado anteriormente, la escala espacial así como la incertidumbre temporal de los modelos debe ser manejado con criterio técnico para interpretar esta información. Estudio Caudales Ecológicos 24

32 Escenario Río Sitio Valor Impacto Decremento de la Precipitación Aumento de la Precipitación Pita en Pedregal Tuminguina Pita en Molinuco San Pedro Pita en Pedregal Tuminguina Pita en Molinuco San Pedro Antes 2 Medio Después 2 Medio Antes 2 Medio Después 3 Alto Antes 3 Alto Después 3 Alto Antes 2 Medio Después 3 Alto Antes 2 Medio Después 2 Medio Antes 2 Medio Después 2 Medio Antes 2 Medio Después 2 Medio Antes 3 Alto Después 3 Alto Tabla 7. Nivel de impacto de las captaciones de agua en la integridad ecológica de los ríos de acuerdo a los resultados del Cambio Climático para el Ecuador. El cálculo del valor del impacto, bajo =1, medio = 2 y alto = 3, se obtiene mediante la ponderación de la magnitud de todos los impactos dividido para el número de impactos de cada tipo, estos valores se adicionan y se obtiene un valor fraccionado final. En la Tabla 8, se presenta un resumen de la respuesta de la integridad ecológica a las salidas de los modelos (ver Tabla 5), y como según el modelo los impactos evaluados producen el aumento o disminución de la integridad ecológica. Salidas de los Modelos de Cambio Climático Sitio/Tratamiento TL959 ETA PRECIS Control/Antes Aumentar Disminuir Disminuir Control/Después Aumentar Aumentar Disminuir Impactado/Antes Aumentar Disminuir Disminuir Impactado/Después Disminuir Aumentar Disminuir Tabla 8. Posibles respuestas de la Integridad ecológica en los sitios de captación frente a los modelos de cambio climático Estudio Caudales Ecológicos 25

33 En resumen el decremento de la intensidad de precipitación tiene un mayor impacto sobre la integridad ecológica de todos los sitios, que el que tiene el aumento de la intensidad de precipitación. El análisis de la integridad ecológica en los escenarios de corto y mediano plazo, demuestra la resiliencia del ecosistema con el aumento de la intensidad de precipitación. En un futuro lejano se puede esperar que la integridad ecológica de los sitios disminuya frente al decremento localizado de la precipitación en los sitios de estudio. En el caso, de que los impactos actuales de las captaciones se sostengan o acentúen, el umbral de resiliencia se sobrepasaría y los ecosistemas perderían su integridad ecológica independientemente del aumento o disminución de la precipitación. Sin embargo, como se vio en el inicio de este análisis, la recarga natural y la restauración del caudal del río genera un efecto de mitigación del impacto de las captaciones. En estas circunstancias un elemento que mantenga una proporción del caudal natural en el río o caudal ecológico, podría ser una alternativa para enfrentar el decremento de la precipitación y/o atenuar el aumento. 2.4 Conclusiones y Recomendaciones El nivel de intervención sobre la zona de influencia de los ríos determina el estado de su integridad ecológica. Los ríos que se usan para consumo de agua potable presentan mejor integridad ecológica que los que se usan para hidroelectricidad. El nivel de protección es una condición que se encuentra únicamente en los ríos que se usan para el consumo humano, y el uso del suelo (ganadería/urbanización) de las áreas aportantes, es una característica que se observa en los ríos que se usan para hidroelectricidad. La condición intrínseca de los ecosistemas acuáticos de responder de forma específica a la variabilidad natural fomenta su resiliencia y resistencia frente a distintos cambios. Esta respuesta se observa en ríos como el Pita en Pedregal y Tuminguina, ya que las condiciones físicas de los cauces, como el área de inundación, su zona de aporte de nutrientes y sedimentos, y la conformación del sustrato en lecho, mantienen consecuentemente la química del agua y su calidad biótica. Miller et al. (2007) reportó los efectos del cambio en la física del cauce asociados a la pérdida de especies en los ríos, lo que podría explicar la diferente calidad biótica de ríos que cambian totalmente su morfología después de las captaciones. Por otro lado, Chessmannet al. (2009) encontró que varios aspectos de la integridad ecológica en ríos intervenidos por captaciones de agua potable no se alteran cuando la interrupción es pequeña y la distancia de recarga se acorta. Esto puede explicar lo que ocurren en los ríos Pita en Estudio Caudales Ecológicos 26

34 Pedregal y Tuminguina después de las captaciones. La presencia de agua en el cauce independiente de la variabilidad hidrológica demuestra que existen condiciones que se mantienen en el ecosistema, como lo sugiere Biggs y Jowett (2008) para ciertos organismos que usan las pozas para su sobrevivencia y desarrollo. Pocos estudios han reportado que la integridad ecológica se mantenga o mejore después de las captaciones (Chessmann y Royal, 2008), los resultados encontrados concuerdan con la mayoría de estudios en donde la disminución del caudal afecta la integridad ecológica reduciendo la calidad del ecosistema en general. Los sitios en los ríos impactados son, por lo tanto, más vulnerables a la reducción del caudal debido a que su resiliencia y resistencia ha sido reducido por la urbanización y la contaminación del cauce. Los impactos de las captaciones de agua en ríos no intervenidos (control) y en ríos intervenidos (impactados) pueden acentuarse como se ha visto para la mayoría de escenarios de los modelos de cambio climático previstos para el Callejón Interandino en el Ecuador. Muñoz, Macías y García (2010) y SGCA, MAE/PRAA, FONAG, 2010 por Muñoz, sugieren considerar la importancia de la variabilidad climática en la hidrología local, donde las respuestas pueden ser muy específicas. Los resultados de la integridad ecológica frente a los impactos y a incrementos de la precipitación pueden parecer beneficiosos en el aspecto hidrológico del sistema, sin embargo hemos visto que los cambios hidrológicos tienen un efecto sinérgico en la física del cauce, la química del agua y la calidad biótica por lo que se requiere analizar la intertemporalidad con mayor detalle. Los escenarios de los modelos aportan, no obstante, una dirección general de la respuesta que presentarían los ecosistemas acuáticos bajo dichos casos a nivel general. El análisis de la integridad ecológica bajo los escenarios de los modelos demuestra que los sitios con baja integridad ecológica, como el río San Pedro, estarían severamente afectados por la disminución del caudal a causa de una reducción de la precipitación, mientras que el aumento del caudal podría favorecer a la frecuencia de descargas por excesos, lo que mantendría de alguna manera un flujo de agua en el río de manera permanente. Los sitios con integridad ecológica media pueden afrontar el incremento o decremento de precipitación de una manera distinta, fomentando la conectividad o aislando hábitats que se conformen como pozas permanentes. Al ser éste uno de los primeros análisis de los impactos de las captaciones y su potencialidad frente al cambio climático en el Ecuador, es fundamental retomar las recomendaciones Estudio Caudales Ecológicos 27

35 de SGCA, MAE/PRAA, FONAG, 2010 por Muñoz, acerca de la escala espacial de los modelos y las posibles respuestas localizadas. Se puede concluir que frente a un incremento de la variabilidad climática centrada en el incremento de precipitación, los ecosistemas acuáticos analizados tienen varios aspectos a favor para enfrentar el impacto que ya existe por las captaciones de agua. Frente a una reducción de la precipitación todos los sitios estudiados estarían potencialmente disminuyendo su integridad ecológica. Para mantener y mejor las respuestas que tiene los ecosistemas acuáticos con captaciones que retornan el caudal al cauce o permiten la recarga natural, se puede aplicar el concepto de caudal ecológico. En la actualidad, no se puede asegurar el valor sobre o bajo el cual el río pierde su integridad ecológica, lo que se ha podido observar en este análisis es que con una reducción del 100% del caudal, todos los sitios después de las captaciones son vulnerables al cambio climático y esta condición se reduce en la medida en la que se mantiene una proporción del caudal natural o caudal ecológico. 3. Definición del modelo de Caudales Ecológicos La información analizada en el capítulo anterior es la base para definir un modelo de caudales ecológicos. Los ríos que son afectados por captaciones, presentan tramos en donde las condiciones físicas y biológicas del ecosistema cambian en relación a las condiciones naturales, estos tramos son el objeto de la implementación de los regímenes de caudales ecológicos. Las variables físicas o hidráulicas y las variables biológicas son el insumo ecohidráulico de los modelos de caudales ecológicos que se pueden integrar a la hidrología local. Entre las metodologías más utilizadas para definir modelos de caudales ecológicos, se encuentran las simulaciones físicas del hábitat para invertebrados, peces o plantas. El principal paquete de simulación fue desarrollado por Millhous (2000) y se conoce como PHABSIM (PhysicalHabitatSimulation). Esta es una herramienta, de la que se derivan varias versiones (RHABSIM (Payne, 2003), RHYHABSIM (Jowett, 2009), que permite conocer los regímenes de caudales en los que los organismos se encuentran en más lugares del río. La metodología que integra la simulación del hábitat y la retroalimentación, revisión e implementación del caudal ecológico se conoce como IFIM (InstreamIncremental FlowMethodology), que se basa en el uso del paquete PHABSIM para cualquier organismo o grupo de organismos del río (Jowett, 1991; Payne, 1997; Pinotet al., 2003). Estudio Caudales Ecológicos 28

36 Las comunidades de invertebrados a las que se va a proteger y para las que se determina el caudal ecológico, son aquellas que habitan aguas arriba de las captaciones (García de Jalón y Gonzales del Tánago, 1999). La investigación sobre caudales ecológicos en base a los hábitats de invertebrados, ha identificado diferentes respuestas dinámicas al igual que la hidráulica de un río. Una manera de integrar los hábitats y la hidráulica se conoce como hábitats viables, los hábitats viables cambian con el caudal lo que se traduce en los regímenes de caudales ecológicos. 3.1 Fundamento eco hidráulico Las variables hidráulicas de un río (velocidad, profundidad, fuerza de stress, rozamiento y turbulencia) segregan a las comunidades por su capacidad de resistir estas condiciones y por sus preferencias hidráulicas. Existen organismos más o menos reófilicos que se encuentran en corrientes fuertes, en rocas grandes, en el fondo o en la columna de agua y organismos que prefieren zonas de corriente más lenta que aprovechan pozas o planos (Bovee, 1986; Jowettet al. 1991; Lamourouxet al., 1995). La corriente en el río genera patrones de movimiento complejos que pueden ser diferentes o iguales entre la superficie y el fondo (Statzner y Higler, 1987), es por esto que es importante conocer el fondo del río en donde vive el bentos. La clasificación de las especies por sus preferencias hidráulicas puede definirse a través de la relación entre las características hidráulicas del hábitat y su distribución en el río (Jowett, 2003). En el río, los organismos se distribuyen de acuerdo a varias interacciones ecológicas (alimentación, refugio, depredación, etc.), estos factores también pueden influenciar la distribución de los organismos de acuerdo a las variables hidráulicas/físicas (Townsend et al. 1997a; James et al. 2008), es por esto que, las preferencias hidráulicas en los hábitats viables explican una parte de la presencia de invertebrados en los ríos. Las preferencias hidráulicas de algunas especies, comunes o abundantes han servido para mantener el hábitat de otras especies menos comunes, por lo que el beneficio ecológico puede ser grande en una comunidad (Collier, 1993; Collieret al., 1995; Jowett, 2003). Una de las principales variables que ha permitido clasificar a los organismos es la velocidad, en rangos y umbrales que se han podido generalizar para varios grupos y en varios lugares (Extence et al., 1999). Estudio Caudales Ecológicos 29

37 3.2 Fundamento eco hidrológico Los regímenes de caudales históricos han determinado el tipo de hábitats que se pueden encontrar en un río y con ellos los organismos que se han adaptado a estas condiciones. El comportamiento de un río lo caracteriza su régimen hidrológico, es por ello que al evaluar los hábitats viables es mandatorio evaluar la estacionalidad y la temporalidad del régimen hidrológico. La ecología de los organismos no es estática por lo que el hábitat está sujeto al flujo de energía del caudal. Este fundamento es el que nos obliga a entender que el concepto de caudal ecológico se traduce en un régimen de caudales ecológicos como símil del régimen hidrológico natural. El fundamento eco hidrológico de los caudales ecológicos es la variabilidad natural del río no afectado, la misma que se busca mantener con el régimen de caudales ecológicos. Estimar esta respuesta se puede lograr con la temporalidad de la información hidrológica disponible e información ecológica correspondiente a las estaciones. Los resultados de esta investigación serán los primeros en este campo dentro de la ecología acuática en el Ecuador y permitirán hacer recomendaciones científicamente sustentadas, para mitigar el impacto ambiental que causan las captaciones de agua. La liberación de descargas que respondan a las funciones ecosistémicas de los ríos permitirá que los ecosistemas acuáticos inicien un proceso de restauración ecológica mediante la operación adecuada de las captaciones. Ecosistemas acuáticos de características similares como los de los ríos de los páramos de Antisana y Cotopaxi forman parte de proyectos en operación como La Mica Quito Sur y el Sistema Pita Tambo de la EPMAPS, en donde al igual que en algunos ríos previstos para ser captados en el Proyecto Ríos Orientales, el manejo antes y durante la operación pueden incorporar los criterios de caudales ecológicos como medida de mitigación del impacto ambiental que generan las captaciones y hacer reducir la vulnerabilidad frente al cambio climático. Con estos antecedentes, el concepto de caudal ecológico se sustenta en la combinación de los criterios ecológicos, hidráulicos e hidrológicos para reconocer los hábitats viables y mantener los regímenes de caudales óptimos para las comunidades clave del ecosistema acuático. Estudio Caudales Ecológicos 30

38 3.3 Información base para el modelo Sistema de monitoreo para evaluar la disponibilidad de agua Índice Lótico para la Evaluación del Flujo LIFE En los ríos San Pedro y Pita se llevó a cabo un levantamiento exhaustivo e intenso de información eco hidráulica, sobre las condiciones hidráulicas en las que se encuentran los invertebrados acuáticos (Rosero, 2005), como parte del trabajo del FONAG para conservar los ecosistemas acuáticos de la cuenca del río Guayllabamba. El objetivo fue relacionar las variables hidráulicas con la hidrología del régimen natural. La metodología utilizada para colectar información eco hidráulica fue el Índice LIFE (LothicIndex of InvertebratesforFlowEvaluation), esta metodología sugiere el monitoreo temporal y la colección de invertebrados del bentos. Esta información colectada entre el 2004 al 2008 se utilizó para llevar a cabo los objetivos propuestos para el modelo de simulación de hábitats. El puntaje LIFE es un índice asociado al biomonitoreo que permite integrar variables ecológicas e hidráulicas de manera rutinaria, y se basa en la densidad de invertebrados en función de la velocidad del flujo. Al rango de velocidades se los divide en categorías a las que se les asignan puntajes de acuerdo a los rangos registrados, Tabla 9. El puntaje se modifica con la abundancia de cada taxa o grupo y luego se calcula un puntaje agregado, Tabla 10. El sistema funciona con datos de especies, género y familias, y el puntaje se puede asociar al caudal a través de ciertas métricas estadísticas (Extenceet al., 1999) (Dysonet al., 2003). Muchos invertebrados de agua dulce tienen requerimientos precisos para cierta velocidad que corresponden a ciertos rangos de caudal, algunos taxa pueden ser indicadores ideales de las condiciones del flujo, si se llega a conocer su espectro de respuestas (Brooks, 1990). Las variaciones del caudal pueden estar altamente influenciadas por un número desconocido de cuerpos tributarios subterráneos y esto podría determinar la presencia o ausencia de ciertos organismos que requieren una profundidad y velocidad específicas que no se pueden registrar en los caudales medibles (Extenceet al., 1999). Estudio Caudales Ecológicos 31

39 Categoría Grupos de Velocidad I II III IV V VI Rápido Corriente Lento Moderado Estancado Seco Tabla 9. Categorías para la Velocidad del flujo Categoría Abundancia Estimada A 1-9 B C D E Tabla 10. Categorías de abundancia de organismos, (fs.) Estas categorías se combinan en función de la abundancia de los grupos encontrados y los rangos de velocidad que les corresponden. A partir de esto, se obtiene un índice con un rango de velocidad que puede relacionarse con el caudal a través de la morfología del cauce. Sin embargo, para encontrar la proporción del caudal natural que podría albergar los rangos de velocidad encontrados se calculan los percentiles de probabilidad del caudal. La dinámica del flujo afecta la estructura de las comunidades espacial y temporalmente, la combinación de los datos de caudal con los valores de Índice LIFE pueden ser considerados si se analiza: los caudales percentiles 25 y 50%, caudales medios, máximos y mínimos en la mayor escala de tiempo o en períodos hidrológicos estacionales (Armitageet al.1997). Estudio Caudales Ecológicos 32

40 En la actualidad esta información ha sido validada con mediciones puntuales en el 2011, en donde la hidráulica del cauce y la hidrología de los sitios de interés se integraron a los registros del bentos. Las series hidrológicas disponibles para el río San Pedro, corresponden a aforos mensuales, por lo que es necesario el registro diario de datos, para construir un modelo detallado para la propuesta de caudales ecológicos para los ríos Pita y San Pedro Hábitats viables para Invertebrados En varios ríos de la unidad hídrica de Papallacta y Chalpi Grande (Sucus, San Juna, Chalpi Norte, Tuminguina) se realizaron muestreos eco hidráulicos para definir las preferencias hidráulicas de los invertebrados acuáticos, entre septiembre de 2006 y diciembre de 2008, como parte del Proyecto para definir Caudales Ecológicos en ríos del Sistema Papallacta (FONAG, 2008). Se calcularon los hábitats viables a través de las curvas de preferencias de taxa común entre los ríos de páramo y del bosque nublado. En el análisis que se presenta a continuación, se utilizó un taxón y las curvas de preferencia que demuestran los requerimientos de este organismo dentro del río, para mantener sus funciones y desarrollarse adecuadamente (Allan y Castillo, 2007). Los hábitats viables están representados por unidades hidromorfológicas o mesohabitats (plano, poza, rápido, rabión, cascada), mientras más mesohabitats se pueda evaluar, mejores serán los resultados de la distribución de invertebrados (Jowett, 1993; Jowett y Davey, 2007). En el análisis de hábitats viables se colectó 100 muestras, por lo que se recomienda mantener un mínimo de 100 puntos en cada río nuevo o temporada nueva que se incluya en la investigación para estimar el régimen de caudales ecológicos. La velocidad, la profundidad y el tipo de sustrato son las variables básicas que determinan los aspectos físicos del hábitat, por lo que es fundamental registrarlos al momento de la colección del bentos. A partir de esta información, se realizó el análisis estadístico, para obtener las curvas de preferencia de acuerdo a la distribución de los datos, que mejor se ajusta o explica la preferencia por cada variable, esto se conoce como idoneidad o viabilidad del hábitat. Estudio Caudales Ecológicos 33

41 Ephemeroptera( Baetidae: Andesiops sp.) Velocidad (m/s) Densidad ind./m 2 Imagen 5. Curvas Profundidad de preferencia (m) hidráulicas Índice (Baetidae: de Sustrato Andesiopssp.) En la Imagen 5, se puede ver las curvas de preferencia hidráulicas para (Baetidae: Andesiopssp.), una efímera presente en el páramo y el bosque nublado. La lectura de estas curvas demuestra que en las abscisas, la densidad de la población en el modelo disminuye a medida que aumenta la velocidad, disminuye a medida que aumenta la profundidad y aumenta a medida que aumenta el índice de sustrato (SI = 3 arena, SI = 4, grava fina, SI = 5 grava, SI = 6 cantos, SI = 7 bloques, SI = 8 roca madre). Una vez que las preferencias hidráulicas se incorporan en un solo modelo se puede llevar a cabo la simulación del hábitat con el caudal. Las salidas visuales del modelo de simulación se pueden ejecutar en dos dimensiones dependiendo de la disponibilidad de información hidrológica, lo que se ha observado por varios autores como una limitación para la simulación hidrológica en general (SGCA, MAE/PRAA, FONAG, 2010 por Muñoz). En el Ecuador, la información hidrológica de tipo diario es escasa, por lo que es necesario ajustar las distribuciones de invertebrados a los caudales muestreados. Las condiciones reales corresponden únicamente a caudales temporales con un rango de variación temporal; la estimación de un régimen de caudales ecológicos con esta información incluiría un error que debe tomarse en cuenta para la futura implementación. El análisis del régimen hidrológico histórico todavía no ha sido incorporado a este estudio, sin embargo se ha identificado periodos de aguas bajas que podrían servir para la modelación. Estudio Caudales Ecológicos 34

42 4. Cálculo del Caudal Ecológico La modelación del régimen de caudales ecológicos para las estación seca y lluviosa fue realizada específicamente para el río Papallacta, ya que se cuenta con una descripción detallada de la hidráulica del cauce y un régimen hidrológico mensual de cerca de 30 años (EPMAPS, 2005). Para llevar a cabo la propuesta del régimen de caudales ecológicos se incorporó el análisis de las variables físicas definidas para cada celda que componen las secciones del río. La descripción de las celdas se realizó utilizando la velocidad registrada al 60% de altura de la columna de agua. En la Imagen 6 se presenta el esquema de la velocidad, por ser la variable de mayor variación a diferencia de la profundidad que cambia con la pendiente, y el sustrato no cambió debido a que los ríos son bastante uniformes. Imagen 6. Celdas de velocidad en donde se asume un valor uniforme en toda la celda. Una vez que se ingresaron las velocidades y el perfil de la sección con las profundidades, se obtuvo la respuesta de los cambios entre la velocidad, la profundidad y el sustrato. En el río Papallacta, las zonas más profundas tienen menor velocidad mientras que las de menor profundidad tienen velocidades extremas. La sección es irregular con una profundidad promedio de m y una velocidad promedio de 1.4 m/s. Estudio Caudales Ecológicos 35

43 Imagen 7. Esquema de velocidades y profundidades en las secciones del Río Papallacta A continuación, para la integración de los hábitats viables en el modelo hidráulico, se compuso un Índice del Hábitat que permite contabilizar el número de hábitats viables de acuerdo a las condiciones más favorables. La sumatoria de todos los Índices de Hábitat ofrece el valor final de hábitats viables, el valor más alto corresponde al óptimo y es equivalente a 1, el rango fluctúa entre 0 y 1. Para extrapolar el resultado de cada celda y de cada sección se multiplica los hábitats viables en un determinado caudal, Imagen 8. El resultado de los hábitats viables se pondera en superficies lo que se denomina SPU, y se obtiene a través de la relación: W/W50 = (Q/Q50) b Imagen 8. Profundidad y pendiente como entradas del modelo. En donde W es la superficie ponderada útil SPU, Q es la descarga o caudal y b es la celda a la que se aplica esta superficie. En el cálculo de los hábitats viables se aplica Estudio Caudales Ecológicos 36

44 la estadística aditiva, lo que permite obtener un valor de la preferencia hidráulica combinada que generan cada hábitat. Las superficies ponderadas útiles se distribuyen de una manera creciente a medida que aumentan los datos de los caudales hasta llegar al punto máximo a partir del cual las superficies se reducen con el tiempo, ya que se convierten en nuevos hábitats, En la Imagen 10, se muestra en barras la combinación de la velocidad, la profundidad y el sustrato como hábitat viable al caudal máximo registrado para el río Papallacta. Las cuatro secciones presentadas corresponden a los valores de superficies que contienen la mayor cantidad de hábitats viables. El modelo de hábitats viables para la población de Andesiopssp., presente en el río Papallacta presenta una distribución de las densidades, de acuerdo a sus preferencias por los hábitats con sustratos más grandes; con frecuencia estos sustratos están asociados a velocidades elevadas y poca profundidad. La combinación de estas características se representa con la viabilidad de 1. Se puede observar en la Imagen 11, una importante distribución en parche a lo largo y ancho de todo el cauce. Las barras correspondientes al valor 1 se ubican en la margen izquierda del río, entre una sección y en la siguiente existen cambios sutiles que hacen distintos los trayectos dentro del tramo, sin embargo se puede observar que las celdas con mayor velocidad son viables para este taxón pero no todas en su totalidad están densamente pobladas. Imagen 9. Hábitats viables identificados por el modelo a un caudal máximo. Estudio Caudales Ecológicos 37

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