MÓDULO CAUDECO DE ESTIMACIÓN DE SERIES TEMPORALES DE HÁBITAT

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1 MÓDULO CAUDECO DE ESTIMACIÓN DE SERIES TEMPORALES DE HÁBITAT MANUAL DEL USUARIO Andrea Momblanch Benavent Javier Paredes Arquiola Abel Solera Solera Joaquin Andreu Álvarez Grupo de Ingeniería de Recursos Hídricos Universidad Politécnica de Valencia

2 oct-40 nov-41 dic-42 ene-44 feb-45 mar-46 abr-47 may-48 jun-49 jul-50 ago-51 sep-52 oct-53 nov-54 dic-55 ene-57 feb-58 mar-59 abr-60 may-61 jun-62 jul-63 ago-64 sep-65 oct-66 nov-67 dic-68 ene-70 feb-71 mar-72 abr-73 may-74 jun-75 jul-76 ago-77 sep-78 oct-79 nov-80 dic-81 ene-83 feb-84 mar-85 abr-86 may-87 jun-88 jul-89 ago-90 sep-91 oct-92 nov-93 dic-94 ene-96 feb-97 mar-98 abr-99 may-00 INTRODUCCIÓN La aplicación Caudeco tiene como objetivo ayudar en los estudios de planificación y gestión de cuencas hidrográficas, en particular, cuando se tratan problemas de concertación de caudales ecológicos en sistemas de recursos hídricos complejos. El producto final de los estudios de hábitat son las curvas de Hábitat Potencial Útil (HPU) que asocian los caudales circulantes con valores de hábitat potencial útil para los individuos de una especie determinada, generalmente piscícola, en una etapa de desarrollo vital concreta (juvenil, adulto, etc.) y en una determinada masa de agua. En sistemas de recursos hídricos complejos es habitual estudiar diferentes especies en varios puntos de la cuenca con lo que finalmente se disponen de múltiples curvas Q-HPU en múltiples puntos. Una vez que se dispone de esta información, la técnica más sencilla es fijar los caudales en los distintos puntos de la cuenca analizando las curvas para las especies y etapas más sensibles, estableciendo un caudal que permita un hábitat mínimo para esa especie-etapa. Otras metodologías basan la elección de los caudales ecológicos en el análisis de las series de HPU a partir de los caudales que pueden circular en las masas de agua. La aplicación Caudeco se basa en esta última tendencia. El programa permite la estimación de las Series Temporales de Hábitat (STH) y de las Curvas de Duración de Hábitat (CDH) para diferentes etapas vitales de diversas especies en varias masas de agua, conocidos los caudales circulantes por las mismas. Las STH indican la variación del hábitat disponible para cada especie y estadio en una masa de agua a lo largo del tiempo (ver Figura 1). Las CDH representan el porcentaje de tiempo en el que se supera un determinado valor del HPU en el periodo estudiado (ver Figura 2). Además permite realizar distintas agregaciones de los resultados para facilitar el análisis global del sistema. HPU (%) Trucha adulto Figura 1. Serie Temporal de Hábitat de la trucha en la etapa adulta en la masa de agua Azud Grande- Vertido Villa Abajo. 1

3 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% 55% 60% 65% 70% 75% 80% 85% 90% 95% HPU (%) Barbo alevín Percentil STH Figura 2. Curva de Duración de Hábitat del barbo en la etapa alevín en la masa de agua Tramo Final. Con el estudio conjunto de la gestión llevada a cabo en los sistemas de recursos hídricos y de las curvas STH y CDH resultantes, se puede analizar el mejor modo de gestionar el sistema para mantener el equilibrio entre la disponibilidad de hábitat para las especies acuáticas y la satisfacción de las demandas humanas. FUNDAMENTOS DE CAUDECO Las STH se obtienen mediante la estimación del HPU de cada uno de los caudales que han circulado por la masa de agua multiplicada por la longitud del tramo: STH(i) = SPU(Q(i)) BIOP(i) Long i j ( c j (i)) donde: STH(i) es el valor que toma la serie temporal de hábitat en el momento temporal i; SPU(Q(i)) es el valor de la curva de Hábitat Potencial Útil para el caudal circulante Q(i) en el momento temporal i; BIOP(i) es una función que define si esa especie-etapa está presente en el momento temporal i; Long es la longitud de la masa de agua en la que se está trabajando; i j es la capacidad de esa especie-etapa para soportar un contaminante j cuya concentración en el momento temporal i es c j(i). m j=1 Para el cálculo de las STH la aplicación sigue los siguientes pasos: - Lee los archivos de datos, entre los que se encuentran: el archivo de coeficientes, el archivo de datos y el archivo de caudales de las masas de agua de la simulación dada. - Seguidamente, realiza las siguientes acciones para cada curva Q-HPU definida y para todos los meses de la simulación: a. Se localiza la masa de agua a la que corresponde esa curva HPU y su serie de caudales. b. Se localizan la especie y la etapa definidas en la curva y se lee el bioperiodo. 2

4 c. En caso de que el bioperiodo muestre un valor diferente a cero se calcula el valor del Hábitat Potencial Útil. Para ello se entra en la curva Q-HPU con el valor del caudal correspondiente a ese momento temporal y se obtiene el valor del HPU. Este valor se multiplica por el coeficiente del bioperiodo (generalmente 1) y por la longitud de la masa de agua. En caso de que el valor del bioperiodo para ese momento temporal sea cero, el valor asignado será el valor definido en el archivo de coeficientes para momentos en que la etapa no actúa ( Valor si No hay datos ). d. En caso de que se pidan los resultados en porcentaje, se estima el valor de HPU correspondiente al 100% 1 y se determina la serie temporal de hábitat en porcentaje respecto a ese valor. Inputs de CAUDECO Outputs de SIMGES Instream Caudales flow m 3 /s oct-96 oct-97 oct-98 oct-99 oct-00 oct-01 oct-02 oct-03 oct-04 oct-05 oct-06 oct-07 oct-08 Estudios de hábitat m 2 Curva Weighted Hábitat Usable Potencial Area Útil - Flow - Caudal curve m 3 /s Estudios de hábitat Bioperiodos Species Size Oct Nov Dec Jan Feb Mar Apr May June July Aug Sept Luciobarbus b. Large Luciobarbus b. Small Squalius c. Large Squalius c. Medium Squalius c. Small Outputs de CAUDECO Series Habitat Temporales Time Series de Hábitat % Otros outputs Curvas de Duración de Hábitat Series Temporales de Hábitat acumuladas Otros indicadores de disponibilidad de hábitat oct-96 oct-97 oct-98 oct-99 oct-00 oct-01 oct-02 oct-03 oct-04 oct-05 oct-06 oct-07 oct-08 Figura 1. Esquema de cálculo de las Series Temporales de Hábitat. 1 Para la selección del máximo de HPU, la Instrucción de la Planificación Hidrológica (MARM, 2008) propone los siguientes criterios: - En aquellos tramos en los que las especies presentan un máximo en su curva, se asume ese máximo, siempre contrastándolo con los datos hidrológicos, de tal manera que se encuentre dentro de un rango lógico de caudales ecológicos, que puedan ser asumidos por el tramo. - En los casos en que la curva de hábitat potencial sea creciente y sin aparentes máximos, el valor máximo se asume como el hábitat potencial útil correspondiente al caudal definido por el percentil 10%-25% de los caudales medios diarios en régimen natural, obtenido de una serie hidrológica representativa de, al menos, 20 años. Como complemento a los análisis anteriores se deben estudiar también los puntos de cambio de pendiente de las curvas. 3

5 En resumen, para cada una de las curvas HPU (cada curva está asociada a una masa de agua, una especie y una etapa) se estima su STH. Partiendo de la serie de caudales de la masa de agua para cada caudal se entra en la curva HPU y se obtiene el hábitat potencial útil que proporcionaría la masa de agua para los individuos de la especie-etapa en ese mes (o período temporal). Partiendo de las series STH se obtienen las CDH que proporcionan información sobre los valores de hábitat potencial útil igualados o superados durante un determinado porcentaje de tiempo respecto del periodo total de simulación. Esta curva se obtiene para cada una de las curvas STH calculadas. Los intervalos de superación para los que se estima la curva (eje de abscisas) pueden ser especificados por el usuario como se verá más adelante. Para facilitar la interpretación de los resultados en un análisis global, Caudeco permite la acumulación de los resultados de STH del siguiente modo: - Acumulación por etapas: Se toman todas las STH de una masa de agua y una especie determinada y se agregan las diferentes etapas. De esta manera se obtienen series temporales de hábitat por masa y especie (p. ej. STH del barbo, en el tramo medio del río Seco). - Acumulación por etapas y especies: Se toman todas las STH de una masa de agua y se agregan las diferentes especiesetapas de cada masa de agua. Con ello se obtiene una serie STH que engloba a todas las especies y todas sus etapas vitales para cada masa de agua simulada (p ej. STH en el tramo medio del río Seco). - Acumulación por etapas y masas: Se toman todas las STH de una misma especie y se agregan las diferentes etapas de esta especie presentes en las diversas masas de agua. De este modo se obtiene una serie STH para cada una de las especies simuladas para todo el sistema (p. ej. STH del barbo en el río Seco). Existen dos métodos para realizar las acumulaciones, que se pueden utilizar indistintamente. A continuación se definen los dos tipos de acumulación de los que dispone la aplicación: 4

6 - Acumulación promedio ponderada por pesos: La serie acumulada toma el valor de la suma ponderada teniendo en cuenta los pesos 2 definidos en el archivo de datos, dividida por la suma de los pesos. En caso de que en el momento temporal de cálculo alguno de los términos de agregación no tenga valor (porque según el bioperíodo sea nulo en ese mes), dicho término no se considerará en el cálculo de la acumulación ni tampoco el peso asociado al mismo. - Acumulación por mínimos: En cada momento el valor de la serie acumulada se obtiene como el valor mínimo, en porcentaje o en m 2, de las diferentes series a agregar. En caso de que en el momento temporal de cálculo alguno de los términos de agregación no tenga valor (porque según el bioperíodo sea nulo en ese mes), dicho término no se considerará en el cálculo de la acumulación. Según los coeficientes escogidos en los archivos de coeficientes y datos para la definición del tipo de resultado y del tipo de acumulación, Caudeco realiza lo siguiente: Acumulación promedio ponderada por pesos - Opción 1: Salida de resultados: m 2 coeficiente de unidades de HPU igual a 1. Método de acumulación: promedio ponderado coeficiente del método de acumulación igual a 1. Descripción: promedio ponderado de los valores de HPU en m 2. HTS ( m²) - Opción 2: HTS ( m²) p Salida de resultados: % coeficiente de unidades de HPU igual a 2. Método de acumulación: promedio ponderado coeficiente del método de acumulación igual a 1. Descripción: suma ponderada de los valores de HPU en m 2, dividida por la suma ponderada de los máximos de HPU de cada serie, en m 2. HTS ( m²) p HTS (%) p max i p i i HTS ( m²) 100 i 2 Para cada masa de agua, especie y etapa vital se define un peso en el archivo de datos. Estos pesos deben ser superiores a cero, de modo que un peso mayor implica mayor importancia de la masa, especie o etapa vital. 5

7 Acumulación por mínimos - Opción 1: Salida de resultados: m 2 coeficiente de unidades de HPU igual a 1. Método de acumulación: mínimo de m 2 coeficiente del método de acumulación igual a 2. Descripción: mínimo valor de HPU en m 2. HTS( m²) min HTS( m²) - Opción 2: Salida de resultados: % coeficiente de unidades de HPU igual a 2. Método de acumulación: mínimo de % coeficiente del método de acumulación igual a 2. Descripción: mínimo valor de HPU en %. HTS(%) min HTS(%) Las acumulaciones se pueden definir por diferentes métodos en cada uno de los escalones de la agregación. Por ejemplo, se pueden acumular etapas vitales por el método de los mínimos, y a continuación acumular etapas y masas de agua por el método del promedio ponderado. A partir de las STH acumuladas se pueden obtener las CDH acumuladas. Se debe notar que el resultado de algunas acumulaciones puede ser poco ilustrativo. Esto puede ocurrir cuando la acumulación se realiza en resultados de hábitat en m 2 si se acumulan series de hábitat de valores altos y de valores mucho menores, ya que las variaciones del hábitat de la series de menor valor no quedan representadas en la acumulación. La ventaja de las agregaciones es que nos permiten obtener un número reducido de resultados que sirven como indicadores para el análisis general de la situación, permitiendo identificar los puntos que requieren estudios más detallados. PASOS PREVIOS AL LANZAMIENTO DEL MÓDULO CAUDECO Antes de iniciar el análisis de hábitat con el módulo Caudeco, se deben recopilar o generar los datos necesarios para su funcionamiento: - Curvas Q-HPU de las diferentes especies-etapas y para las masas de agua que se han estudiado. - Bioperiodos aplicables a las diferentes especies-etapas estudiadas. 6

8 - Caudales circulantes en las diferentes masas de agua. Estos caudales pueden provenir de series históricas u obtenerse como resultado de un modelo de simulación de la gestión de la cuenca. Utilizando el Sistema Soporte a la Decisión AquaTool, el primer paso para la aplicación del módulo Caudeco consiste en representar el esquema del sistema de gestión con el que se va a trabajar. Además de la topología, se deben implementar los datos necesarios para ejecutar el módulo SIMGES (ver manual del usuario de SIMGES). Figura 3. Esquema de AquaTool. ANÁLISIS DEL SISTEMA DE GESTIÓN CON EL MÓDULO CAUDECO Una vez instalado el módulo Caudeco, éste se puede iniciar desde el menú Inicio de Windows > AquaTool > Caudeco. En primer lugar, se debe indicar el modelo de AquaTool con el que se va a trabajar. Si se han definido diversos escenarios de cálculo, se habrá de definir además el escenario de trabajo. Otra posibilidad es cargar el módulo Caudeco como herramienta externa de AquaTool (ver Anexo I), con lo cual Caudeco abrirá automáticamente el proyecto y escenario activos. La interfaz principal de Caudeco es una ventana con distintas pestañas en las que se deben implementar los datos específicos para este módulo de AquaTool, y diferentes botones para ajustar los parámetros y lanzar las simulaciones. 7

9 Figura 4. Interfaz principal del módulo Caudeco. 1. Especies En esta pestaña se introducen las distintas especies (habitualmente piscícolas) presentes en los distintos tramos de estudio del sistema. El peso de cada especie se utilizará en caso de que la agregación de resultados por etapas y especies se realice por el método de acumulación promedio ponderada por pesos. En el caso de aplicación, la trucha tiene mayor importancia en la ponderación que el barbo y el bordallo, como puede verse en la Figura 5. 8

10 Figura 5. Implementación de la pestaña ESPECIES. 2. Etapas En esta pestaña se deben introducir los estadios de vida de cada una de las especies consideradas que habitan los tramos de río analizados. El peso de las etapas se utilizará en caso de que la agregación de resultados por etapas se realice por el método de acumulación promedio ponderada por pesos. En el caso de aplicación, las etapas adulta y de freza tienen mayor importancia en la ponderación que los estadios alevín y juvenil, como puede verse en la Figura 6. 9

11 Figura 6. Implementación de la pestaña ETAPAS. 3. Masas En la pestaña MASAS se deben seleccionar los tramos de río del sistema sobre los que se va a realizar el análisis, en los que se encuentran las especies y estadios implementados en las pestañas anteriores. Puesto que el módulo está vinculado a un proyecto de AquaTool, los nombre de las masas se seleccionan a través de un menú despegable en el que aparecen los tramos de río existentes en el proyecto. El peso asociado a las masas de agua se utilizará en caso de que la agregación de resultados por etapas y masas se realice por el método de acumulación promedio ponderada por pesos. La longitud de la masa debe ser 1 a menos que exista una diferencia significativa de longitudes entre las distintas masas y se quiera representar la influencia de esta variable en los resultados. 10

12 Figura 7. Implementación de la pestaña MASAS. 4. Bioperiodos En primer lugar, se deben introducir los nombres de las series de bioperiodos que se van a utilizar y que representan la presencia en los tramos de estudio de las distintas especies y estadios a lo largo del año. Figura 8. Implementación de la pestaña BIOPERIODOS. Presionando el botón VALORES BIOPERIODOS se abre una nueva ventana en la que se puede seleccionar cada una de las series de bioperiodos implementadas en la ventana anterior. Por defecto el valor del bioperiodo en todos los meses es 1, pero se pueden modificar los valores en la tabla que 11

13 muestra la Figura 9 para introducir los valores deseados (normalmente 1 si la especie-estadio está presente y 0 en caso contrario). Además se puede visualizar la serie de bioperiodo presionando sobre Refrescar Gráfico. Una vez introducidos los valores de todas las series, se puede cerrar la ventana para continuar con la introducción de datos. Figura 9. Implementación de las series de bioperiodos. 12

14 5. Curvas HPU En esta pestaña se introduce la información relativa a las curvas de HPU que se deben definir para cada especie-estadio existente en las masas de estudio. Se debe escoger un nombre para cada curva HPU (sin espacios), asignando la especie, etapa, masa y bioperiodo correspondientes a cada curva a través de menús desplegables que muestran las opciones definidas en las pestañas anteriores. En la última columna se introduce un -1 en caso de que la curva HPU tenga un máximo claro (ver Figura 11) y se quiera tomar dicho valor como el máximo HPU. Si por el contrario, la curva HPU no alcanza claramente un valor máximo (ver Figura 12) o no se quiere utilizar dicho valor como 100% del HPU, se debe anotar en la última columna el caudal correspondiente al valor de la curva en el que se desee fijar el máximo HPU. Figura 10. Implementación de la pestaña CURVASHPU. Una vez definidos los nombres de las curvas, se implementan los valores correspondientes a cada una de ellas. Presionando el botón VALORES CURVAS HPU se abre una nueva ventana en la que se introducen las parejas de valores de caudal-hpu. El programa considera que estos valores se dan en m³/s para el caudal y m²/m para el hábitat, pero es posible utilizar otro tipo de unidades como se explicará más adelante. Existe la posibilidad de pegar la tabla copiándola desde una hoja de cálculo, utilizando el botón Pegar Desde el Portapapeles. Además, se puede visualizar la curva caudal-hpu presionando sobre Refrescar Gráfico. 13

15 Figura 11. Implementación de las curvas HPU (I). Figura 12. Implementación de las curvas HPU (II). 6. Opciones de simulación Una vez introducidos todos los datos físicos del modelo, se deben ajustar las unidades y características de la simulación mediante el botón Opciones de la interfaz principal. 14

16 Figura 13. Parámetros de simulación. En el apartado de información general, se pueden modificar las unidades de caudal y de hábitat. El coeficiente de cambio de unidades de caudal es necesario para que las series de caudales circulantes por las masas de agua estudiadas (por defecto se consideran en hm 3 /mes) tenga las mismas unidades de caudal que las curvas HPU (por defecto se consideran en m 3 /s). Las unidades de hábitat pueden darse en m 2 /m, m 2 /1000m, o simplemente en m 2. El programa considera que las curvas se han definido en m 2 /m por lo que este parámetro por defecto tiene valor 1. En este mismo apartado se escoge además el tipo de resultado que se desea obtener (m 2 o %), el valor de los resultados cuando no hay datos de hábitat (bioperiodo = 0), y el número máximo de puntos HPU-caudal que contiene cada curva HPU. Finalmente, activando la casilla Estadísticos se indica a Caudeco que debe generar las Curvas de Duración de Hábitat como resultados de la simulación, con los percentiles de y en la tabla inferior se indican los percentiles temporales que se desea considerar en las CDH. En el apartado de acumulaciones se define el tipo de acumulación (Promedio ponderado por pesos o Mínimos) utilizado en cada fase de acumulación (Etapas, Etapas y Especies, o Etapas y Masas). En último lugar, en el apartado de archivos pueden definir los nombres de los archivos de datos y de resultados. En función de los patrones de simulación seguidos puede resultar conveniente tomar las series de caudales de un archivo externo, en cuyo caso se debe indicar el nombre de dicho archivo en el cuadro de texto Caudales. En cambio, si se activa la casilla Simges Caudeco tomará las series de caudales resultantes de la última simulación con Simges. 15

17 7. Ejecución del módulo Caudeco Tras los ajustes de simulación, se puede proceder a generar los archivos de datos presionando el botón Crear Archivos, en la interfaz principal del módulo Caudeco. Estos ficheros son Cau_Archivos.inp, Cau_Datos.inp y Cau_Coeftes.inp que se almacenan en la carpeta escenario del proyecto de AquaTool, como puede verse en la Figura 14. En este punto se puede lanzar el módulo Caudeco para obtener las STH y las CDH. Para ello, se debe presionar el botón Calcular que se encuentra en la interfaz principal del módulo Caudeco. Con ello, el programa calculará las curvas STH y CDH simples (HTSeries.sal y CDH.sal) y acumuladas por etapas (HTSMasEsp.sal y CDHMasEsp.sal), etapas y especies (HTSMasa.sal y CDHMasa.sal), y etapas y masas (HTSEsp.sal y CDHEsp.sal). Todos estos archivos se pueden abrir con un editor de textos o con una hoja de cálculo, para su consulta y manipulación. Además, se crea un archivo de errores Cau_Errores.sal y un archivo de caudales resultantes de la simulación con Simges en caso de que así se haya definido en los parámetros de simulación (por defecto Tabla2.txt). Todos estos resultados y archivos auxiliares se almacenan en la carpeta escenario del proyecto de AquaTool como puede verse en la Figura 14. Figura 14. Carpeta del escenario del proyecto de AquaTool. 16

18 8. Visualización resultados Después de realizar la simulación del modelo implementado, aparece en la ventana principal del módulo Caudeco un menú desplegable que permite seleccionar las STH que se quieren visualizar (ver Figura 15). Figura 15. Interfaz principal del módulo Caudeco con menú desplegable para visualización de resultados. Un vez seleccionado el tipo de resultado de STH que se desea visualizar, se abre el gestor de gráficos egraf, en el que se pueden ajustar distintas características de visualización y exportar los resultados. Para más información ver Manual de egraf. 17

19 Figura 16. Gestor de gráficos egraf para la visualización de resultados. NOTAS: En la ventana Formato abscisas, seleccionar la opción Ninguno en el formado del eje de abscisas para obtener una buena representación de los resultados. En caso de que las series a graficar tengan valores sin dato (por defecto -999), se deben seleccionar las opciones No mostrar valores negativos y No mostrar el valor de: -999 en la pestaña Opciones del Gráfico de egraf (ver Figura 17). Figura 17. Ocultar valores negativos de las series de resultados. 18

20 ANEXO I. Carga de herramientas externas en AquaTool. Aunque Caudeco se puede ejecutar de forma independiente a AquaTool, lo más práctico es incorporar este módulo a la interfaz principal de AquaTool. Para ello, se debe acceder al selector de herramientas externas, del menú Herramientas. A continuación se debe añadir una nueva herramienta, pulsando el botón Añadir. Seguidamente, se debe asignar el nombre, los argumentos (Proyecto y Escenario) y la ruta de acceso en la cual se ha instalado la aplicación. El módulo Caudeco quedará cargado en AquaTool al pulsar Aceptar. Figura 18. Acceso a las herramientas externas de AquaTool. Figura 19. Ventana de gestión de herramientas externas. Tras este proceso, se puede ejecutar Caudeco desde el proyecto y escenario de AquaTool abiertos. Figura 20. Ejecución de Caudeco como herramienta externa de AquaTool. 19