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Metodología de análisis de conectividad hidráulica para la ictiofauna en ríos mediante

Sistemas de Información Geográfica (SIG)

ROJO DE BENITO, E.1, DIEZ HERNÁNDEZ, J.M.

1 , PÉREZ POLO, I

2., CORNEJO, R.

2

1 Grupo de Hidráulica e Hidrología. Universidad de Valladolid, España. 2 Electron Investment – Proyecto Pando y Monte

Lirio, Panamá.

Resumen Se han examinado las características de un tramo fluvial alterado hidrológicamente mediante

Sistemas de Información Geográfica (SIG), en relación a su conectividad hidráulica para la

ictiofauna. Se desarrollaron dos sistemas de zonificación y se determinaron las rutas de paso

preferentes para cada estadio (alevín, juvenil y adulto) de la especie piscícola objetivo. Del

mismo modo se han definido una serie de indicadores (interhidrológicos e intrahidrológicos)

de alteración hidráulica.

Palabras clave Conectividad hidráulica, profundidad crítica de paso, ruta de paso preferente.

1. Introducción

Las prácticas humanas de manejo del agua han fragmentado las redes fluviales

extensamente, contribuyendo a la degradación de los ecosistemas dulceacuícolas a escala

global (Dudgeon et al., 2006). La construcción y operación de presas, azudes y derivaciones

interrumpen los patrones naturales de conectividad física y biológica, obstaculizando el

movimiento de los organismos (Sheer y Steel, 2006) y alterando un rango amplio de efectos

ecológicos (Fukushima et al., 2007). La fragmentación de los ecosistemas fluviales está

implicada en el declive poblacional de algunas especies ícticas migratorias, y otras con

importancia económica y cultural (Mora et al., 2009). Por ello, la restauración y

mantenimiento de la conectividad en redes fluviales ha llegado a ser un principio fundamental

para orientar el manejo y conservación de ríos (Kondolf et al., 2006; Pringle, 2006).

Preservar la conectividad hidráulica natural es importante para especies migratorias

que deben efectuar largos desplazamientos por la red de drenaje para completar sus ciclos

vitales (Bisson et al., 2009). Los proyectos hidráulicos como presas y azudes representan

obstáculos físicos a la migración (“obstáculo por barrera”), mientras que las derivaciones y la

regulación de caudal pueden evitar el paso a los peces al generar aguas insuficientemente

profundas o excesivamente rápidas (“obstáculo por caudal”). Cabe destacar que alteraciones

hidrológicas en la cuenca provocada por cambios en el manejo del suelo y/o la vegetación, así

como un eventual cambio en el clima, también pueden reducir los distintos tipos de

escorrentías que abastecen al río en los distintos hidroperiodos del año. Este trabajo se centra

en la diagnosis del efecto de un caudal detraído en la conectividad para los peces (obstáculo

por caudal).

La ictiofauna se desplaza dentro del río mediante rutas concretas que conectan puntos

del cauce cuya profundidad iguala o supera un valor crítico de paso (Figura 1). La

disminución del caudal en un cauce conlleva de modo invariable la reducción de la

profundidad en todo el dominio hidráulico de análisis. Cuanto más intensa sea la detracción,

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menor será el área de cauce utilizable por los peces para sus desplazamientos. Un tramo de río

posee un caudal mínimo teórico que es crítico para la conectividad de un pez determinado,

por debajo del cual se bloquea el paso en puntos del cauce demasiado someros que no pueden

ser franqueados.

Figura 1. Ruta de paso viable para la ictiofauna.

Conocida la importancia crítica de la conectividad hidráulica para la ictiofauna, se ha

prestado mucha atención a identificar barreras potenciales al movimiento, adaptar los diseños

hidráulicos de las estructuras, y optimizar el diseño de estructuras fijas de paso (Clarkin et al.,

2005). La descarga de caudales ecológicos mínimos se ha incorporado al patrón de operación

de muchos proyectos, con objeto de preservar un nivel aceptable de continuidad y de hábitat

acuático en los tramos aguas abajo (Decker et al., 2008; Beechie et al., 2008). A pesar de

estos esfuerzos, la protección de la conectividad hidrológica permanece inadecuada,

especialmente en corrientes pequeñas (CDFG-NMFS, 2002; ISP, 2002).

Prueba de ello es que ha sido un tema relativamente poco estudiado en el ámbito de la

Ecohidráulica. El trabajo publicado referencial es el modelaje de conectividad hidráulica 2D

realizado por Grantham (2011) en tres arroyos de California para el salmón. Evalúa el método

de cálculo del caudal ecológico mínimo de conectividad longitudinal propuesto por el “State

Water Resources Control Board” (SWRCB, 2010), que simula como secciones críticas de un

tramo los hábitats de tipo rápido o cascada. El paso se asegura cuando la profundidad en la

cresta de la sección supera un valor crítico, que para el salmón se fija en 20-30 cm. El autor

encuentra que la aproximación simplista de interpretar los calados en la cresta del rápido más

restrictivo subestima la superficie real conectada del tramo del 10% al 25%, en comparación

con el más riguroso análisis espacialmente distribuido 2D.

Algunos trabajos en nuestro país destacan la importancia de este aspecto. Garrido et al.

(2010) destacan la importancia de determinar el nivel de modificación de las condiciones

hidrológicas y ecológicas originales de los ríos debido a la presencia de elementos

antropogénicos emplazados físicamente sobre estos o en su proximidad. González del Tánago

y García de Jalón (2006) determinan que la conectividad se refiere al grado de conexión o

continuidad espacial del corredor, la cual determina la eficacia de su estructura para el tránsito

y dispersión de especies a lo largo del mismo. Según los organismos CERM y LINKit (2009)

en su propuestas de mejora de la conectividad para los peces en la parte baja del río Ebro, la

conectividad fluvial es necesaria para los peces para: a) permitir las migraciones

reproductivas y movimientos estacionales; b) favorecer la recolonización de áreas afectadas

por perturbaciones; y c) conservar las especies autóctonas, favoreciendo su dispersión y

evitando su fragmentación.

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Este trabajo aporta un procedimiento novedoso, estructurado y lógico para estudiar

mediante SIG (Sistemas de Información Geográficos) las rutas preferentes de paso acuático

para organismos móviles. Está enfocado inicialmente para caudales mínimos (ecológicos),

pero es adaptable con facilidad también para evaluar caudales máximos. Como organismo de

referencia se plantea el pez, pero la metodología es aplicable para cualquier otro organismo

que requiera desplazarse dentro del cauce de modo permanente o temporal, como por ejemplo

la nutria. No conocemos estudios previos específicos sobre este tema. Se presentan los

resultados de una aplicación práctica en el Río Chiriquí Viejo de Panamá, como parte del Plan

de Manejo de Caudal Ecológico del Proyecto Hidroeléctrico Pando y Monte Lirio que

desarrolla la Unidad Docente de Hidráulica e Hidrología para la compañía EISA (Art.83 –

Funge UVA).

2. Objetivos

La metodología persigue el objetivo general de evaluar la conectividad hidráulica

para la ictiofauna en ríos alterados hidrológicamente. Está dirigida también hacia los

siguientes objetivos específicos:

- Definir índices de estado de alteración hidrológica e intrahidrológica.

- Identificar rutas preferentes de paso para especies piscícolas.

- Evaluar la conectividad total, a partir de la probabilidad de paso.

3. Metodología

Es muy conocida la gran versatilidad de los Sistemas de Información Geográficos

(SIG) para construir modelos predictivos, que se caracterizan por ser una aproximación

teórica a un problema real (López, 2005). El marco de análisis de conectividad mediante SIG

desarrollado en este trabajo se presenta esquematizado en la Figura 2. Ha sido concebido para

ejecutarse, casi en su totalidad, con el programa ArcGis10, concretamente con la extensión

“Spatial Analyst”. Primeramente se construye un Modelo Digital del Terreno (MDT) a partir

de los datos topográficos disponibles, tomados directamente in situ y/o mediante técnicas

remotas.

El modelaje hidráulico proporciona el campo de profundidad espacialmente

distribuido a través del dominio fluvial, el cual fundamenta el estudio de conectividad. Este

resultado puede ser generado mediante técnicas uni-dimensionales (1D) o bi-dimensionales

(2D).

El criterio biológico de conectividad en este modelo evalúa la idoneidad de la

profundidad en un punto del cauce para el organismo objetivo. Este criterio puede ser simple,

de tipo binario (sí/no), delimitando rangos de profundidad pasable y no pasable a partir de una

“profundidad crítica de paso” fijada para el pez; o más completo utilizando intervalos de

calado con distintos niveles de idoneidad: ineficaz (por debajo del valor crítico), aceptable,

idóneo, etc. Si varias especies ícticas conviven en el tramo, el criterio utilizado será el de la

especie más restrictiva: es decir la más exigente en calado de paso.

Conectando hidráulicamente los elementos que discretizan el cauce (1D/2D) con

idoneidad apta se delinean las “rutas de paso posible”, que según el modelo serán recorridas

por el pez en función del tipo de criterios biológicos considerados: biocinético, bioenergético,

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ecológico, etc. Cuando las celdas consideradas son aquellas que tienen la mejor idoneidad de

tránsito, los caminos que conectan dichos elementos conforman las “rutas de paso preferente”,

que según el modelo son las más convenientes para los organismos.

La probabilidad de conectividad se determina en cada punto del cauce mediante el

funcionamiento básico de la herramienta Conefor, esta se genera a partir de nudos y

conexiones, y funciones básicas de Saura y Pascual-Hortal (2007). A partir de la idoneidad de

la profundidad se genera unas probabilidades de conectividad, las cuales están expresadas de

0 a 1 (siendo 0 nula probabilidad y 1 probabilidad máxima).

Figura 2.Marco analítico de conectividad hidráulica para especies ícticas.

3.1. Simulación hidráulica

Previamente al estudio en profundidad de las características de un tramo fluvial, es

necesario realizar una simulación hidráulica, ya sea en una dimensión (1D) o en dos

dimensiones (2D). En este caso se ha llevado a cabo una simulación hidráulica 1D con la

versión beta del Software SEFA (System for Environmental Flow Assessment), el cual

implementa los modelos y algoritmos del sistema PHABSIM.

El procedimiento de aplicación del Software para la simulación hidráulica consta de 3

partes: caracterización del cauce y criterios de preferencia, simulación hidráulica y simulación

del hábitat (Diez Hernández, 2005).

Los datos hidrotopográficos de base consisten en la batimetría del cauce (secciones

transversales) y una caudal base (caudal ecológico). El modelaje de la profundidad se ha

realizado con el método WSP (“Water Surface Profile”) para un régimen permanente variado.

Los resultados de la simulación hidráulica se exportan a Excel y ahí se realiza una depuración

de los mismos, dando lugar a una tabla que contenga los datos básicos para el desarrollo del

análisis, los cuales son:

- X, Y, Z de cada punto estudiado, donde Z es la elevación de cada punto.

- D es la profundidad, la diferencia entre el Nivel de Superficie Libre (NSL) y el

lecho, lo que se define como Calado (medida base para el análisis).

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La figura 3 representa el resultado obtenido con la simulación de profundidad con

SEFA.

Figura 3. Simulación de profundidad con SEFA.

3.2. Análisis de conectividad con SIG

El diagrama de flujo seguido se presenta en la figura 2. Cabe destacar que los pasos

“Territorio” e “Hidrología” se llevan a cabo con la simulación hidráulica, cuyos resultados

son exportados a Excel.

3.2.1. Modelo Digital del Terreno (MDT) o Mapa de Calados

Un Modelo Digital del Terreno (MDT) es un mapa digital que representa una variable

temática y generalmente se obtiene mediante algebra de mapas (Del Río, 2010). El MDT ha

sido conformado mediante un sistema de interpolación de los puntos topográficos, cuya

variable temática es el calado. Previamente, se ha estudiado la variable con la herramienta

“Geostatistical Analyst” incluida en ArcGis, interpretando estadísticos de tendencia central y

de errores. El MDT fue exportado al formado Raster, y eliminando los datos negativos se

obtuvo el Mapa de Calados o Modelo Digital del Terreno.

3.2.2. Mapas de Preferencia de Profundidad

El Mapa de Preferencia de Profundidad proporciona información sobre los espacios

del cauce en el que los distintos estadios de la especie piscícola pueden o no estar. Se obtiene

a partir de las curvas de preferencia de profundidad, las cuales pueden estar definidas por

nuevos datos específicos del río o bien por estudios previos. Estas funciones representan el

índice de preferencia (adimensional) asociado al calado dentro de un intervalo con

significación biológica. El Mapa de Preferencia de Profundidad posee un formato Raster con

una dimensión de celda que coincide con el tamaño mínimo de paso del pez. Este mapa se

construyó combinando adecuadamente el campo de profundidad espacialmente distribuida

con las curvas de profundidad mediante la herramienta “Raster Calculator”.

3.2.3. Indicadores de Alteración Hidrológica

Se determinaron dos tipos de índices de alteración hidrológica: 1) interhidrológicos; e

2) intrahidrológicos. Los primeros facilitan la comparación de ríos distintos. Los segundos

posibilitan analizar distintas zonas con significación ecológica dentro de un mismo río

(conservación, actuación, y seguimiento).

Índices de estado o interhidrológicos

Los índices correspondientes a este apartado son la probabilidad media (P) y el

coeficiente de variación (Cv). El primero define la distribución de los datos bajo la curva de

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distribución normal, y el segundo la variabilidad del microhábitat hidráulico para la especie

piscícola. La información necesaria se obtiene de los Mapas de Preferencia de Profundidades:

media (X) y la desviación típica (σ). Los índices interhidrológicos se definen como:

- P = X ± σ (para una probabilidad del 68 %)

- Cv = σ / X

Índices intrahidrológicos

Se utilizan para definir y delimitar distintas zonas en el río, dependiendo de su

condición para ser recorridas por el pez: pasable con facilidad, pasable con dificultad, o no

pasable. Se denominan respectivamente como Zonas de: “Conservación”, “Seguimiento” y

“Actuación”. Para su definición se toma como referencia el índice de paso del 0’6 y a partir

de las funciones de preferencia se determinan las distintas clases de cada mapa de preferencia

de profundidades. Se ha utilizado la siguiente codificación en color: zonas de Conservación

en verde, zonas de Seguimiento en naranja, y zonas de Actuación en rojo, obteniéndose de

este modo los primeros Mapas de Zonificación.

3.2.4. Conectividad

Los Mapas de Zonificación ofrecen una idea aproximada de la condición de

conectividad hidráulica del río para cada estadio vital. La conectividad se evalúa mediante dos

índices: 1) índice superficial de conectividad; y 2) índice longitudinal de conectividad.

Índice Superficial de Conectividad (Is)

Relaciona la superficie teórica transitable por la especie piscícola (St) y la superficie

total del río (S), Is = St/S.

Índice Longitudinal de Conectividad (Il)

Relaciona la longitud teórica transitable por la especie piscícola (Lt) y la longitud total

del tramo fluvial (L), Il = Lt/L.

3.2.5. Rutas de paso preferentes

La obtención de las rutas de paso preferentes se ha llevado a cabo con el conjunto de

herramientas de Distancia del módulo “Spatial Analyst” de ArcGis, siguiendo el siguiente

diagrama de flujo (figura 4). El objetivo de las herramientas de coste es determinar la ruta

menos costosa para alcanzar una ubicación desde un origen. Los módulos de cálculos de rutas

de los programas SIG se basan en el análisis de los valores de todas las celdillas o pixeles de

una determinada capa raster. Dicha capa representa la dificultad o coste de desplazamiento

por un de un determinado territorio, y el programa selecciona la ruta para unir dos puntos

determinados donde la suma de los valores de todas las celdillas atravesadas sea la más baja y

por tanto la que equivale a un menor esfuerzo en el desplazamiento (López, 2005). Las

herramientas de distancia requieren tanto un “dataset” de origen como un raster de coste como

entrada. Las herramientas utilizadas son “Coste distancia”, “Vinculo de menor coste” y “Ruta

de coste”.

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Figura 4. Diagrama de flujos para la obtención de la ruta preferente. Fuente: Tutorial Spatial Analyst.

Coste Distancia

Con esta herramienta se calcula un raster de salida en el que a cada celda se le asigna

el coste acumulativo a la celda de origen más cercana. El coste asignado a cada celda

representa la distancia de coste por unidad para moverse a través de la celda. El valor final por

celda es el tamaño de celda multiplicado por el valor del coste (Figura 5).

Figura 5. Esquema de los fundamentos de la herramienta “Coste Distancia”

Vinculo de Menor Coste

El objetivo de este punto es la definición de la próxima celda en la ruta de menor coste

acumulativo hasta el origen más cercano; se define un raster de direcciones, siguiendo el

esquema representado en la figura 6.

Figura 6. Esquema de los fundamentos de la herramienta de “Vinculo de Menor Coste”

Ruta de Coste

La ruta de coste tiene el ancho de una celda y recorre desde el origen hasta el destino.

Al finalizar este proceso tenemos tres raster, uno por cada estadio de la especie piscícola.

Estos raster pueden ser convertidos en polilínea para facilitar la interpretación.

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3.3. Herramienta “Conefor”

El análisis de la conectividad del programa Conefor (Saura y Torné, 2009), ayuda a

mejorar la comprensión del proceso, pasando de una visión de escala superficial a una visión

puntual. Este software evalúa la conectividad de un nodo concreto analizando la condición de

los nodos de alrededor. Este análisis incluye tres fases: 1) determinación de los nudos y las

conexiones; 2) densidades en cada nudo; y 3) probabilidad de conectividad.

Los nudos se determinan como los centroides de las teselas representativas en el tramo

fluvial. La densidad de individuos se evalúa mediante la función propuesta por Saura y

Pascual (2007), considerando la distancia al punto de referencia:

La probabilidad de conectividad entre nudos en este caso es práctico que sea calculada

a partir de las variables: densidad de los individuos (ρ) y probabilidad de paso P(h):

Con los valores de probabilidad de conectividad reclasificados de 0 a 1 se elabora un

Mapa de Conectividad Total, que permite zonificar la importancia de los nodos en función de

las condiciones a su alrededor: Zona de Conservación (zona buena entre zonas malas) y Zona

de Recuperación (zona mala entre zonas buenas).

4. Aplicación práctica

A continuación se presentan los resultados principales del análisis de conectividad de

un tramo representativo del Río Chiriquí Viejo (Panamá), afectado por la futura operación de

dos centrales hidroeléctricas en construcción. La especie piscícola indicadora es la Lisa

(Angonostomus montícola), de la cual se conocen sus preferencias de profundidad para los

distintos estadios (Figura 7).

Figura 7. Criterios de preferencia de profundidad para la Lisa ( A. monticola).

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Mapa de Calados

La figura 8 representa un fragmento representativo del Mapa de Calados, en el que la

profundidad de calado viene representada por una escala de colores (blanco = 0 m y azul

oscuro = calado máximo).

Figura 8. Tramo representativo del Mapa de Calados.

Mapas de Preferencia de Profundidad

La figura 9 muestra los tramos representativos de cada Mapa de Preferencia de

Profundidad, correspondientes a cada estadio vital (alevín, juvenil y adulto). Están

codificados en color, donde el azul representa la preferencia mínima, y el rojo la máxima. A

partir de estos mapas y el tamaño mínimo de paso, se determina el porcentaje de peces de

cada estadio que pasan. En este caso pasa un 5% de los individuos adultos, un 20 % de los

individuos juveniles y un 60 % de los individuos alevines.

Figura 9. Tramos representativos de los Mapas de Preferencia de Profundidades, donde A) es el mapa de Adultos, B) es

el mapa de los Juveniles y C) es el mapa de los Alevines.

Índices de Alteración Hidrológica

Índices Interhidrológicos

Adultos tienen una probabilidad media de 0,1685 ± 0,192173 y un coeficiente de

variación del 114 %.

Juveniles tienen una probabilidad media de 0,309845 ± 0,290512 y un coeficiente de

variación del 93,76 %.

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Alevines tienen una probabilidad media de 0,495083 ± 0,340497 y un coeficiente

variación del 68,78 %.

Índices Intrahidrológicos (Figura 10)

Zonas de Conservación: representan zonas donde el individuo pasa sin dificultad.

Tienen un índice de preferencia mayor del 60 % y utilizan una simbología verde.

Zonas de Seguimiento: representan zonas donde el individuo pasa con dificultad. Su

índice de preferencia está entre el 20 y el 60 % y utilizan una simbología naranja.

Zonas de Actuación: representan zonas donde el individuo no pasa. Tienen un índice

de preferencia menor del 20% y utilizan una simbología roja.

Figura 10. Tramos representativos de los Mapas de Zonificación para cada estadio, donde A) representa a los adultos, B)

representa a los juveniles y C) representa a los alevines.

Conectividad

Adultos tienen un índice superficial de conectividad del 40 % y un índice longitudinal

de conectividad del 40 %.

Juveniles tienen un índice superficial de conectividad del 44,57 % y un índice

longitudinal del 44,57 %.

Alevines tienen un índice superficial de conectividad del 42,57 % y un índice

longitudinal del 42,57 %.

Rutas preferentes de paso

La figura 11 muestra la evaluación final de la ruta de coste mínimo para cada uno de los

tres estadios (línea negra).

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Figura 11. Tramos representativos de las rutas preferentes de paso para cada estadio, A) ruta preferente para adultos, B)

ruta preferente para juveniles y C) rutas preferentes para alevines.

Aplicación de la herramienta “Conefor”

La figura 12 presenta un fragmento del tramo fluvial para el que se ha evaluado la

probabilidad de conectividad para cada organismo. El color amarillo indica probabilidad baja,

mientras que el color azul indica valores altos.

Figura 12. Tramos representativos en el que se representa la Probabilidad de Conectividad de cada estadio de la especie

piscícola, A) ruta preferente para adultos, B) ruta preferente para juveniles y C) rutas preferentes para alevines.

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5. Conclusiones

Esta contribución operativa al análisis de la conectividad hidráulica para la ictiofauna emplea

herramientas y procedimientos GIS dentro de una metodología lógica y estructurada. Este

trabajo aporta una visión más amplia a los análisis clásicos de este tipo (1D/2D).

El marco de análisis presentado identifica rutas preferentes de paso para organismos acuáticos

móviles, combinando los criterios de preferencia de profundidad fijados y la probabilidad de

conectividad.

El empleo de los Índices Interhidrológicos propuestos permite comparar las condiciones de

conectividad acuática de tramos fluviales diferentes, mediante la interpretación estadística de

los mapas de preferencia de profundidades (parámetros de tendencia central).

Los índices Intrahidrológicos resultan prácticos para identificar zonas de paso dentro de un río

con características no aptas, críticas, y favorables. Esta tipificación ayuda en la toma de

decisiones en las actuaciones de mantenimiento y mejora de la conectividad hidráulica, como

componente básico de la conservación y restauración fluvial: zonas de conservación (paso

fácil), seguimiento (paso difícil), y actuación (no paso).

Se proponen índices para evaluar la condición global de conectividad de un tramo fluvial

durante un caudal concreto: índice superficial de conectividad, e índice longitudinal de

conectividad.

Las rutas preferentes de paso de un pez pueden ser identificadas con SIG mediante el

protocolo diseñado, empleando criterios suplementarios de la movilidad de los organismos: 1)

optimización coste- distancia; y 2) minimización del coste.

La metodología desarrollada considera como variable hidráulica única la profundidad o

calado (desnivel entre la lámina de agua y el lecho). Sería interesante comparar los resultados

incorporando otras variables hidráulicas, como la velocidad y la anchura superficial.

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