Estimación del aporte de la precipitación horizontal al ciclo hidrológico en el ecosistema tropical húmedo de montaña

Tema

Analizar la variabilidad del ciclo hidrológico en el ecosistema tropical húmedo de montaña a partir de cambios en los aportes de la precipitación, usando como caso de estudio la Cuenca del río Dagua. De esta forma, mejorar el conocimiento sobre el recurso hídrico.

Objetivos

General

Estimar el aporte de la precipitación horizontal al ciclo hidrológico en el ecosistema tropical húmedo de montaña. Caso de estudio: Cuenca del río Dagua.

Específicos

1. Disponer de un sistema de captura, almacenamiento y seguimiento a las condiciones ambientales en un punto del ecosistema tropical húmedo de montaña, enfocado a cuantificar la precipitación horizontal.
2. Disponer de una metodología que permita identificar la presencia de nubes a nivel de tierra o niebla a partir de imágenes satelitales climatológicas.
3. Modelar dinámica y espacialmente el ciclo hidrológico de la cuenca del río Dagua bajo condiciones alteradas de precipitación.

Resumen

La cuantificación del aporte de la precipitación horizontal (PH) al ciclo hidrológico es altamente variable dependiendo de la orografía y posición de la zona de estudio o cuenca sobre el globo terráqueo. Particularmente para los ecosistemas de bosques tropicales húmedos de montaña (BTHM) es reconocido que su principal característica es la alta frecuencia de nubes a nivel de tierra que hace que su biodiversidad sea altamente dependiente de esas condiciones ambientales; pero también debido a esa propiedad de superávit del recurso hídrico no ha sido estudiado en su cuantificación. Este proyecto desarrolló acciones que permiten mejorar el conocimiento de estas dinámicas ambientales en los BTHM con el apoyo de la telemetría, geomática y electrónica para la generación de herramientas de captura, transmisión, almacenamiento y disposición de la información capturada en campo.

Con el ánimo de aprovechar la iniciativa de este proyecto de investigación, tres frentes de trabajo de investigación se adoptaron para mejorar el conocimiento de este proceso: 1- Diseñar y disponer de un sistema de captura, almacenamiento y seguimiento de la PH en un punto del BTHM. 2- Crear una metodología que permitiera identificar la presencia de nubes a nivel de tierra o niebla a partir de imágenes satelitales climatológicas, y 3- Modelación dinámica espacial del ciclo hidrológico de la cuenca del río Dagua para analizar la dinámica hidrológica de la cuenca. La articulación de estos productos podría ofrecer una información espacializada y dinámica de los procesos climáticos en la zona de estudio.

Para el primer frente de trabajo se diseñó una estación meteorológica que reporta la información cada diez (10) minutos a los servidores del laboratorio GISMODEL de diez (10) variables climáticas y se almacenan en las bases de datos de dos servidores espejos, reconocidos como Thomasa y Matilda. Con base en un diseño previo que disponía el grupo de investigación se construyeron dos estaciones meteorológicas para ser ubicadas en la cuenca del río Dagua dentro de los BRHM; la primera estación se ubicó en el sector conocido como el Km18 en la finca La Florida, el Bosque de las Aves y la segunda en la finca Mateguadua de Corpruvalle (Corporación de los profesores de la Universidad del Valle), en el municipio de Tocota, en la misma cuenca del río Dagua. Las estaciones fueron instaladas satisfactoriamente. Lastimosamente, su funcionamiento ha tenido muchas interrupciones por deficiencias en los instrumentos de los sistemas de comunicación, dado que en particular en esos ecosistemas los equipos electrónicos se afectan muy fácilmente por las altas condiciones de humedad.

Para el segundo frente de trabajo, se realizó un proyecto de investigación con un proyecto de grado de Ingeniería Topográfica, con el cual se desarrolló un modelo de identificación de las nubes a nivel de tierra a partir de productos satelitales GOES-16 ABI + ERA5-Land y ERA5-Land + MODIS LST (MOD11A1) programando Google Earth Engine con Python. Con este algoritmo se pueden identificar las nubes más cercanas a la superficie de la tierra, lo que permite tener un dato espacial sobre el área de estudio para un determinado momento, según sea el interés. Adicional a este algoritmo y compromiso, se creó una aplicación Web que permita operar el proceso en línea y generar la superficie de nubes a nivel de tierra definido por el criterio del usuario de la aplicación. Esta aplicación está disponible para el uso de la comunidad científica en el siguiente enlace. De este ejercicio también se generó un elemento de divulgación que es un artículo para ser sometido a una revista de divulgación periódica.

Finalmente, en el tercero y último frente de trabajo se implementó un modelo de balance hídrico para modelación dinámicamente distribuida para la cuenca del río Dagua a partir de datos meteorológicos y los demás datos complementarios de la cuenca como ecosistemas, suelos, coberturas vegetales, modelos de elevación digital, entre otros. El modelo que es una versión adaptada de Rincón-Romero (2001) opera horariamente y modela según los datos de precipitación de entrada. Este tema también fue objeto de una tesis de pregrado.

Los tres frentes de trabajo complementan las dinámicas para poder investigar cuáles son las condiciones de aportes de las nubes a nivel de tierra al ciclo hidrológico. Lamentablemente, los daños persistentes en el hardware de campo no permitieron la continua captura de información propia de las trampas de nubes, información que se usaría para parametrizar la información de nubes a nivel de tierra y así poder cuantificar espacialmente dichos aportes. Estos mismos datos estaban pensados para alimentar los datos de entrada de la modelación hidrológica desarrollada en la parte tres, por lo cual este ejercicio se realizó adaptando datos tanto de estaciones locales con el apoyo de las imágenes satelitales para espacializar la información.

A pesar de los inconvenientes, el proyecto cuenta como productos con dos estaciones meteorológicas instaladas en campo reportando datos ambientales de la zona, pero para los temas de precipitación horizontal está funcionando intermitente. Adicionalmente, se creó una herramienta Web para el uso de la comunidad para identificar las nubes a nivel de tierra a partir de imágenes satelitales y finalmente se cuenta con una tesis de pregrado en la implementación de un modelo dinámico distribuido espacialmente para la cuenca del río Dagua. Estos productos se adjuntan al informe.

Área de estudio

El área de estudio seleccionada para la implementación del proyecto fue la cuenca del río Dagua en el Valle del Cauca. La localización de las estaciones se presenta en la figura 1.

Metodología

La metodología se estructuró en tres frentes de trabajo, que recogen las actividades propuestas para la generación de los productos planteados, algunas de ellas con algunas limitaciones. La metodología se esquematiza en la figura 2.

Etapa 1 - Revisión de literatura

Etapa 2 - Desarrollo plataforma de captura

Desarrollo de plataforma de captura de información en campo y consolidación de base de datos para el almacenamiento y disposición de la información. En esta etapa se diseñó una trampa de niebla y adaptó al diseño previo que se disponía de una estación meteorológica para la captura de la información ambiental.

Las variables básicas para capturar por las dos estaciones fueron:

1. Radiación solar (W/m2)
2. Precipitación (mm)
3. Temperatura húmeda y seca del ambiente (°C)
4. Temperatura del suelo (°C)
5. Presión atmosférica (mmHG)
6. Velocidad del viento (m/s)
7. Dirección del viento (grados de azimut del vector viento)
8. Humedad relativa de la atmósfera (%)
9. Humedad del suelo (%)

Las variables directamente relacionadas con las trampas de niebla y precipitación horizontal fueron:

1. Goteo panel 1 (mm)
2. Goteo panel 2 (mm)
3. Peso panel 1 (gr)
4. Peso panel 2 (gr)
5. Porcentaje de visibilidad obstruida (%) con sensor infrarrojo

Estos tres métodos de registro de la precipitación horizontal se diseñaron para tener redundancia entre medidas y poder contrastar y parametrizar la información, y así relacionarla con la información que proviene del satélite climático.

Para las estaciones climáticas, además de contar con los sensores para la captura de las variables mencionadas, fue necesario construir para cada una de las estaciones la fuente de energía para su alimentación con paneles solares, baterías y reguladores. Para el envío de la información se dispuso de un módulo de telemetría que envía la información cada 10 minutos a los servidores por medio de un sistema de transmisión de datos de conexión WIFI a la red de datos celulares de la región.

Articulado con lo anterior, se dispuso dos tablas de una base de datos para almacenar la información ambiental reportada por cada una de las estaciones en dos servidores espejos del laboratorio de Gismodel de la Universidad del Valle. Cada uno de estos servicios cuentan con una IP pública para ser consultados tanto desde fuera de la universidad, como dentro del Campus Universitario.

Etapa 3 - Periodo de un año de captura de información.

El registro de la información en los servidores se realiza permanentemente, con algunas interrupciones debido a desperfectos de algunos sensores de la estación o del sistema de comunicación. En la sección de resultados se detalla este producto.

Las estaciones meteorológicas han tenido un funcionamiento intermitente, pero se rescata la captura de datos según se presenta en la tabla 1 del anexo 2. Los datos capturados de las dos estaciones pueden ser consultados en los siguientes enlaces:

Desde conexión a internet dentro del campus Melendez:

1. K18
2. Tocota

Desde fuera del campus Melendez

1. K18
2. Tocota

El acceso a los datos crudos de la captura de las estaciones meteorológicas se pueden consultar en los siguientes enlaces del servidor espejo:

1. K18
2. Tocota

Etapa 4 - Depuración y análisis de datos

El resumen de algunas conclusiones preliminares sobre los datos capturados, con relación a la precipitación horizontal se presentan en la tabla 2 del anexo 2. Es importante aclarar que hay periodos del año capturado donde no se pudo registrar las variables por daños en las estaciones. Igualmente, de estos datos se puede concluir que se requiere una revisión detallada en la identificación de datos erróneos o errores reportados por los sensores, donde por algunas variaciones de voltaje no se tienen mediciones apropiadas o datos fuera de orden. Lo que sí se destaca es que el registro de las mallas de la estación de K18 tiene datos interesantes que son revisados y evaluados a continuación, pero no con contraste de otras fuentes, lo que permite validar si esos datos son confiables o no. Lastimosamente, la redundancia planteada con las mediciones de infrarrojo presentó un desperfecto desde el inicio del experimento, que no generó datos confiables, además fueron muy pocos, lo que lleva a replantear una mejora importante en el diseño del instrumento.

Analizando los datos capturados por la estación K18, el periodo de información capturada va desde agosto 6 de 2024 hasta mayo 5 de 2025, tomando información cada 10 minutos. Se contó con más de 31700 registros. Lastimosamente se dieron interrupciones de varios períodos que podían extenderse dependiendo del tiempo disponible para ir a campo a corregir el equipo, e igualmente también se recortaron más del 25% de los registros por datos atípicos. La información se resumió diariamente (anexo 2), y se analizó la información capturada por las mallas de niebla contra la lluvia directa. Se identificaron días donde la niebla capturada podría llegar a valores entre 20 y 95mm de agua por niebla con proporciones de lluvia muy pequeñas, como también días lluviosos, pero con poca niebla. Del total de días se tomaron 57 días con registros que pasaron por todos los filtros de calidad y se tomó los totales de lluvia y precipitación capturada. El valor de precipitación directa (vertical) capturada para esos días fue de 881mm, mientras en la malla1 alcanzó a 532mm y en la malla2 fue de 187mm para el mismo periodo. Cabe destacar que las dos mallas están ubicadas perpendicularmente una de la otra, por lo que la corriente del viento puede dar más directa a una que a la otra, igualmente por su posición sobre la cresta de la montaña. Esto indica que la proporción de captura de lluvia de cada una de las mallas fue del 60% y 21% respectivamente.

Etapa 5 - Diseño e implementación de sitio Web del proyecto, datos y Apps desarrolladas

Tanto para el proyecto como para la “App de identificación de nubes a nivel de tierra” se disponen en un servidor del Laboratorio GISMODEL, como también tanto para consulta interna de la comunidad universitaria como los interesados externos a la Universidad.

El sitio Web construido para el proyecto recoge las generalidades del proyecto, el cual está disponible en línea para consulta en el siguiente enlace. Desde este enlace se puede tener acceso a la App para la captura de las imágenes de nubes a nivel de tierra, desarrollado como un aplicativo en Python de automatización de la consulta usando Google Earth Engine. Igualmente, desde este enlace revisa las memorias del proyecto, acceso a la tesis de divulgación en el tema de modelación dinámica espacial hidrológica de la cuenca del río Dagua, y el resumen de la publicación que está siendo sometida a una revista periódica.

Como ejemplo de las salidas de mapas digitales que ofrece la App, se presenta en las figuras 3 y 4, imágenes de las nubes a nivel de tierra generadas por los diferentes algoritmos que dispone la herramienta.

Etapa 6 - Divulgación del conocimiento

Esta etapa comprende lo siguiente:

1. Sitio Web del proyecto
2. Sitio Web de la aplicación de identificación de presencia de nubes a nivel de tierra
3. Una tesis de pregrado en el tema de modelación hidrológica
4. Un artículo para someter a una revista de un tema relacionado con el proyecto

Los cuatro productos distinguidos de la actividad de divulgación son:

1. Sitio Web del proyecto
2. Sitio Web de la aplicación de identificación de presencia de nubes a nivel de tierra, con enlace dentro del mismo sitio Web mencionado
3. Una tesis de pregrado en el tema de modelación hidrológica. La tesis de pregrado de Ingeniería Topográfica de Sergio cardona titulada “MODELACIÓN DINÁMICA ESPACIAL DISTRIBUIDA DEL CICLO HIDROLÓGICO EN LOS ECOSISTEMAS DEL PACÍFICO COLOMBIANO. CASO DE ESTUDIO: CUENCA DEL RÍO DAGUA”
4. Un artículo para someter a una revista de un tema relacionado con el proyecto. La versión preliminar del artículo que está siendo sometida a la revista EIA de la Universidad de Antioquia

Principales conclusiones y/o recomendaciones

Aunque las intenciones iniciales propuestas para la investigación fueron poder entregar una visión espacial de la captura de la precipitación horizontal en toda la cuenca del Río Dagua, no se alcanzó a completar todo el ejercicio, pero sí se construyó conocimiento en esa dirección para continuar la investigación. Se cuenta con las imágenes de nubes a nivel de tierra calculadas por la aplicación para una fecha determinada por el usuario y su área geográfica también la puede definir.

Del proyecto se arrojan experiencias positivas y constructivas en el tema de la precipitación horizontal y otras tantas con oportunidades de mejora, de lo cual es significativo para continuar.

En este sentido, estos resultados son útiles para correlacionarlos con las imágenes generadas por la App, para poder tener una idea de cómo espacializar la información a nivel cuenca. Este es otro tema de investigación sobre el cual se debe profundizar.

Del aspecto de la modelación dinámica espacial, una de las principales dificultades fue la disponibilidad de información ambiental en la cuenca a resolución temporal horaria. El proyecto de investigación desarrollo unas metodologías para espacializar la información de datos de las estaciones meteorológicas de las entidades ambientales, para lo cual se construyeron datos que permitieron la modelación del balance hídrico, generando una plataforma para poder articular con diferentes escenarios climáticos y reconocer su impacto en la disponibilidad del recurso hídrico en la cuenca.

Como aspectos para mejorar, es la generación de una segunda versión de estaciones con diseños de placas que permitan una mejor integridad de los elementos y menos posibilidad de fallas, más blindadas ante las inclemencias del tiempo y mejorar el diseño de trampas y en particular el sensor de infrarrojo como un tercer recurso de captura de la presencia de nubes a nivel de tierra.

Finalmente, la integridad de los resultados de las tres etapas es el objetivo de la continuidad de la investigación. Este proyecto logró consolidar la infraestructura fundamental para continuar en la articulación de estos productos y así poder proponer los siguientes temas que ayuden a mejorar ese conocimiento y también poder densificar los sitios de monitoreo de las condiciones ambientales de este ecosistema tan importante.