PROYECTO DE INVESTIGACIÓN: DESCARGA EFECTIVA EN EL RÍO MAGDALENA

Kevin Clemente Rosario y Manuel Meza

Pregunta de investigación¶

¿Es posible clasificar, con la información hidrológica disponible hasta el día $t$, si el día $t+15$ pertenecerá al rango de descarga efectiva del río Magdalena en la estación Calamar?

1. Generalidades¶

1.1 Planteamiento del problema¶

1.1.1 Contexto¶

Un río no transporta únicamente agua. Arrastra también partículas de suelo y roca desprendidas de las laderas de su cuenca, material que la hidrología denomina carga sedimentaria y que viaja en suspensión o rodando por el fondo del cauce. Ese transporte determina en buena medida la forma del río, porque el sedimento erosiona unos tramos y se deposita en otros, y condiciona además la vida útil de los embalses, la profundidad disponible para la navegación y el crecimiento de los deltas.

El río Magdalena constituye un caso destacado en este sentido. Drena cerca de la cuarta parte del territorio colombiano, atraviesa una cordillera joven y tectónicamente activa, y recibe precipitaciones intensas, condiciones que en conjunto producen uno de los rendimientos sedimentarios más altos del mundo por unidad de área drenada (Milliman y Syvitski, 1992). Sobre su cauce se sostienen el principal corredor fluvial de carga del país, una cadena de embalses para generación hidroeléctrica y los asentamientos ribereños del Caribe colombiano.

1.1.2 El concepto de descarga efectiva¶

Una pregunta central en el estudio del transporte de sedimentos consiste en establecer qué tipo de caudal realiza, a lo largo de los años, la mayor parte de ese trabajo. La respuesta no es inmediata, porque intervienen dos factores que operan en sentidos opuestos. Por un lado, cuanto mayor es el caudal, más sedimento consigue arrastrar el río en un solo día. Por otro, los caudales grandes ocurren con poca frecuencia, de manera que su aporte acumulado se ve limitado por lo raros que resultan. Las crecidas excepcionales mueven muchísimo material cada vez que suceden, pero suceden pocas veces por siglo; los caudales bajos se presentan casi a diario, aunque apenas arrastran partículas.

Al combinar ambos factores aparece un máximo en algún punto intermedio del rango de caudales. Existe un valor en el que el producto entre la cantidad transportada por evento y la frecuencia con que ese evento ocurre alcanza su punto más alto. Ese caudal recibe el nombre de descarga efectiva y se interpreta como el responsable principal de la configuración geométrica del cauce, dado que es el que acumula el mayor volumen de trabajo geomorfológico a lo largo del tiempo (Wolman y Miller, 1960).

El método de cálculo consiste en agrupar el registro histórico de caudales en clases, contar cuántos días cae el río en cada una, estimar cuánto sedimento transporta un día típico de esa clase y buscar la clase cuyo producto resulte máximo. El procedimiento se sistematizó a comienzos de los años ochenta y continúa siendo el más difundido (Andrews, 1980). Su resultado depende, sin embargo, de decisiones metodológicas que deben explicitarse, porque el número de clases empleado y la forma de la curva que relaciona caudal con sedimento pueden desplazar de manera apreciable la posición del máximo (Nash, 1994). Tampoco debe asumirse sin verificación que la descarga efectiva coincida con el caudal a cauce lleno, equivalencia que solo se cumple bajo determinadas condiciones hidráulicas (Emmett y Wolman, 2001).

1.1.3 Antecedentes en la cuenca Magdalena-Cauca¶

La cuenca ha recibido atención sostenida por parte de la comunidad científica. Las estimaciones de caudal líquido y carga sólida del Magdalena fueron revisadas a partir del registro instrumental del periodo 1975-1995, trabajo que documentó una variabilidad interanual considerable asociada a la alternancia entre las fases cálida y fría del fenómeno ENSO (Restrepo y Kjerfve, 2000). Investigaciones posteriores examinaron qué controla ese rendimiento y encontraron que, a escala de subcuenca, la pendiente del terreno y la escorrentía resultan los factores dominantes (Restrepo et al., 2006). Se ha estimado además que los cambios de uso del suelo habrían incrementado el aporte sedimentario respecto de las condiciones anteriores a la intervención antrópica, aunque la magnitud de ese incremento depende del periodo que se adopte como referencia (Restrepo y Syvitski, 2006).

1.1.4 Problema¶

La literatura disponible caracteriza la descarga efectiva como un descriptor del comportamiento sedimentario de largo plazo y aporta estimaciones consolidadas para la cuenca. El problema que aborda este trabajo se sitúa en un plano distinto, el de la anticipación.

Saber que la descarga efectiva del Magdalena se encuentra alrededor de un determinado valor describe cómo se ha comportado el río durante las últimas décadas, pero no indica en qué momento volverá a situarse en ese rango. Quien opera un embalse necesita saber cuándo esperar la llegada de sedimento para programar las purgas; quien administra el canal navegable necesita anticipar los periodos de mayor depositación para planificar los dragados; quien estudia el delta necesita estimar cuándo se producirán los aportes principales. Todas esas decisiones requieren previsión y no únicamente diagnóstico retrospectivo.

Resulta pertinente, en consecuencia, evaluar en qué medida el estado hidrológico observado en un conjunto de estaciones distribuidas sobre el cauce permite anticipar los días en que el río se situará en el rango de transporte dominante. La hipótesis de trabajo sostiene que la información de caudal registrada aguas arriba, combinada con el estado reciente de la estación de interés y con la posición dentro del ciclo anual, contiene señal suficiente para realizar esa anticipación con un horizonte útil para la gestión.

1.1.5 Formulación de la tarea¶

La tarea se formula como un problema de clasificación binaria. A partir de la información de caudal disponible hasta el día $t$ en un conjunto de estaciones escalonadas sobre el cauce, se predice si el caudal del día $t+15$ en la estación objetivo caerá dentro de la banda de descarga efectiva. El horizonte de quince días responde a un compromiso entre utilidad operativa y dificultad del problema, cuya justificación empírica se desarrolla en el capítulo 4.

1.2 Delimitación¶

1.2.1 Delimitación espacial¶

El estudio se circunscribe al cauce principal del río Magdalena y toma como estación objetivo la de Calamar, situada en el ápice del delta, en el departamento de Bolívar. Las seis estaciones restantes se distribuyen aguas arriba, desde Guaduas en Cundinamarca hasta la depresión momposina, y describen el estado del sistema en puntos sucesivos del recorrido. Quedan fuera del análisis el río Cauca y los demás afluentes, cuyo aporte se manifiesta de forma indirecta a través del caudal registrado en las estaciones del bajo Magdalena.

1.2.2 Delimitación temporal¶

El registro abarca de 1940 a 2026, con resolución diaria. La partición entre entrenamiento y evaluación se fija en el año 2010, de modo que el modelo se ajusta con la información anterior a esa fecha y se evalúa sobre los dieciséis años posteriores. Los resultados describen el comportamiento del sistema durante ese periodo y su extrapolación a condiciones futuras está sujeta a las limitaciones que se discuten en el capítulo 5.

1.2.3 Delimitación temática¶

El trabajo se ocupa de anticipar el régimen de caudal asociado al transporte dominante, no de estimar la cantidad de sedimento transportada. Esa distinción obedece a una restricción de los datos disponibles que se documenta en el capítulo 3: la serie de transporte publicada por el IDEAM resulta ser una transformación determinista del caudal y, por tanto, no aporta información independiente sobre el proceso sedimentario.

El modelo base se restringe además a la regresión logística, según establece la guía del curso. La exploración de algoritmos capaces de representar fronteras de decisión no monótonas queda señalada entre las líneas de trabajo pendientes.

1.3 Objetivos¶

1.3.1 Objetivo general¶

Evaluar la capacidad de un modelo de clasificación para anticipar, con quince días de antelación, los días en que el río Magdalena se situará en el rango de descarga efectiva en la estación Calamar, a partir del registro hidrológico de siete estaciones del cauce.

1.3.2 Objetivos específicos¶

Caracterizar la calidad del registro hidrológico disponible y establecer el mecanismo que origina sus valores faltantes.

Estimar la descarga efectiva de la estación Calamar mediante análisis magnitud-frecuencia y evaluar la sensibilidad del resultado a la curva de gasto sólido empleada.

Cuantificar la dependencia temporal del sistema, incluido el tiempo de tránsito de la onda de crecida entre estaciones, y contrastar las estimaciones obtenidas con la disposición geográfica real de los puntos de medición.

Auditar el conjunto de predictores para descartar la presencia de fuga de datos.

Comparar el desempeño del modelo base frente a una línea base trivial y frente a dos referencias propias del dominio hidrológico.

1.4 Organización del informe¶

El capítulo 2 describe la base de datos, su procedencia y su calidad. El capítulo 3 desarrolla el análisis exploratorio, que incluye la construcción de la variable objetivo a partir del análisis magnitud-frecuencia, el estudio de la dependencia temporal entre estaciones y la auditoría de fuga de datos. El capítulo 4 presenta el modelo base y su evaluación. El capítulo 5 reúne las conclusiones, las limitaciones del diseño y las líneas de trabajo pendientes.

Los notebooks de los capítulos 2 a 4 deben ejecutarse en orden, dado que cada uno deja en datos/procesados/ los resultados intermedios que requiere el siguiente.