RESUMEN

Palabras clave

Laguna de Sonso, hidrodinámica, modelación matemática, CCHE2D

Abstract

Sonso Lagoon, the most important lentic wetlands in the upper valley of the Cauca River, is currently undergoing a process of deterioration caused by different anthropogenic interventions in recent decades (perimeter dikes, plugging of natural ditches Cauca river connecting the lagoon, wastewater discharges), which manifests itself in decreasing volumes of water exchange between the river and the lake, reduced current velocities, acceleration of sedimentation, impaired water quality, etc. In order to improve the hydrodynamics of the lagoon, six different patterns of communication with the Cauca River were raised and evaluated by numerical simulation (model CCHE2D), consisting of an entry from the south and the expansion of the canal Caño Nuevo in the north of the lagoon. The different schemes evaluated showed an improvement in the pattern of movement of currents within the lagoon, restoring flow in the south-north direction and increasing flow rates, which will reduce the rates of sedimentation in the lagoon. Of the various alternatives considered, the derivation of water from the Cauca River to the south of the lake through a channel 16 m wide and extending to 21 m of canal Caño Nuevo in the northern will generate the best hydrodynamic conditions in the lagoon due to the slightly higher flow velocities.

 Key words

Sonso Lagoon, hydrodynamics, numerical modeling, CCHE2D.

 1. INTRODUCCIÓN

La laguna de Sonso o del Chircal, se localiza en el departamento del Valle del Cauca, Colombia, sobre la margen derecha del río Cauca, entre los municipios de Buga, Yotoco y Guacarí.

Es el humedal léntico más importante de la planicie aluvial del occidente colombiano y la más extensa del relicto de unidades de paisaje lagunar del ecosistema Bosque Tropical Inundable del complejo de humedales del Alto Río Cauca (Bocanegra et al., 2008). La importancia de este humedal, desde el punto de vista hidráulico, radica en que su vaso actúa como regulador natural de las crecientes del río Cauca, reducien hábitat de 162 especies de aves (muchas de ellas migratorias), 24 de anfibios y reptiles, 50 de mamíferos, 31 de peces y 25 de flora arbórea, de modo que es en sí mismo un complejo y estratégico ecosistema acuático y terrestre (Bocanegra et al., 2008); y desde el punto de vista socioeconómico la laguna de Sonso articula y sostiene algunas comunidades de pescadores artesanales y es un atractivo turístico e histórico del Valle del Cauca.

Estas cualidades le han merecido la declaración como Reserva Natural en el año 1978. A pesar de ello, la laguna de Sonso se encuentra gravemente afectada por las diferentes intervenciones a las que ha sido sometida, tales como: la construcción de diques y vías que han alterado los flujos naturales de agua y sedimentos, el vertimiento de aguas contaminadas, la reducción del espejo lagunar para fines agrícolas y el pastoreo, entre otros (Asoyotoco, 2007; Bocanegra et al.; 2008; Bernal & Donado, 2010).

Desde el punto de vista hidráulico, la construcción de diques perimetrales, el taponamiento de las acequias naturales que conectaban al río Cauca con los extremos sur y norte de la laguna de Sonso y la construcción del canal Caño Nuevo, constituyen la principal afectación de las corrientes de agua y sedimentos al interior de la laguna.

Estos cambios han significado una degradación de la calidad del agua de la laguna y en el aceleramiento del proceso de colmatación y pérdida de su espejo lagunar y volumen del vaso. En este artículo se evalúan 6 alternativas de

 2. Generalidades de la zona de estudio

Figura 1 . Localizacion de la Laguna de Sonso

intervención de la laguna para mejorar sus procesos hidrodinámicos reestableciendo el flujo en el sentido sur-norte, mediante una serie de simulaciones matemáticas bidimensionales empleando el software CCHE2D v3.0.
La laguna de Sonso se encuentra ubicada en el municipio de Buga, delimitada al norte por el río Guadalajara, al sur por el río Sonso, al oriente por áreas cultivables del valle del río Cauca y las faldas de la cordillera Central y al occidente por el Río Cauca (ver Figura 1). 

En  esta zona el valle del río Cauca presenta un relieve plano, con depresiones de poca profundidad y madreviejas que son anegadas durante las crecientes del río Cauca y algunas quebradas y acequias que drenan el agua por el corredor oriental de la cordillera Central. El clima de la región es cálido, con temperatura media entre 23 y 24 °C, la precipitación anual promedio se acerca a los 1100 mm/año, distribuidos principalmente en dos periodos de lluvia (marzo-mayo y septiembre – noviembre) y la humedad relativa promedio es del 60% (Rodríguez & Jojoa, 2011).
La importancia de la Laguna de Sonso como ecosistema único en Colombia radica en la sorprendente diversidad y variabilidad de la avifauna residente y migratoria que hacen  de la laguna el último lugar en la región con las condiciones necesarias para la subsistencia  de muchas especies de fauna y flora. Por esta razón, en el año 1978 se declaró como Reserva Natural a la Laguna de Sonso con una extensión aproximada de 2045 ha, 745 de las cuales constituyen el espejo de agua de la laguna y las 1300 ha restantes corresponden a la zona amortiguadora.

En el año 2003 se reconoció la laguna como un Área importante para la conservación de las aves (AICA-IBA) por parte del Instituto Von Humboldt y BirdLife Internacional, por considerar el humedal como un sitio de vital importancia a nivel mundial para mantener una población sostenible de un número significativo de especies (Bocanegra et al., 2008, ASOYOTOCO, 2007)

Alrededor de la laguna se han establecido pequeñas comunidades cuyo sustento principal es la pesca artesanal y la prestación de servicios a viajeros entre Mediacanoa y Buga. Sin embargo, la mayor parte de las tierras están destinadas a la cañicultura y la ganadería extensiva.

3. Implementación del modelo matemático

Tabla 1. Información topográfica y batimétrica disponible

Para simular el sistema laguna-río se implementó el modelo CCHE2D v3.0, creado por  el Centro Nacional de Hidrociencia e Ingeniería Computacional (NCCHE) de la Universidad de Mississippi (EEUU). Este es un modelo computacional bidimensional, integrado en la profundidad, que resuelve las ecuaciones de conservación de la masa y la cantidad de movimiento que gobiernan los fluidos a superficie libre.

El primer paso del proceso de modelación consistió en la esquematización geométrica de la topografía y la batimetría del área de interés, que incluye el tramo del río Cauca localizado frente a la laguna, la laguna de Sonso y el canal de conexión Caño Nuevo, sobre una malla computacional generada con el módulo CCHE2D Mesh Generator. Para ello, en primer lugar, se construyó un Modelo Digital de Elevaciones del terreno (MDE) con resolución de 1.5 m (Figura 2), a partir de levantamientos topográficos y batimétricos disponibles (realizados entre los años 1995 y 2007, como se referencia en la Tabla 1 y ortofotografías del año 2007. Este MDE fue empleado para interpolar los niveles del terreno sobre una malla computacional de 20.090 nodos, con una resolución máxima de 2.91 m y mínima de 308.88 m. La construcción de la malla se realizó siguiendo criterios de ortogonalidad y uniformidad entre los elementos cuadrangulares que componen la malla y procurando definir con la mayor precisión posible los canales más estrechos a simular.

Figura 2a. Representación de la topografía de la zona de estudio

Figura 2b. Representación de la topografía de la zona de estudio

Los niveles del terreno interpolados sobre la malla fueron evaluados y ajustados hasta lograr la máxima similitud posible con el MDE, empleando como criterio de evaluación la diferencia relativa del área de secciones transversales de la malla con respecto al MDE. Para ello se definieron 4 secciones transversales en cada bloque de la malla (12 secciones en total) encontrando diferencias relativas de entre 0.17% (laguna de Sonso) hasta una máxima de 7.04% en Caño Nuevo, y un valor medio para todas las secciones de 4.50%, lo cual es muy satisfactorio y garantiza la representatividad geométrica que el modelo requiere (Figura 3).

Figura 3. Comparación de niveles del terreno en el Modelo Digital de Elevaciones (MD) y en la malla

3.1  Análisis de sensibilidad del modelo

Las primeras simulaciones se realizaron para evaluar la sensibilidad de la respuesta del modelo ante cambios en parámetros de entrada como el intervalo de tiempo computacional (dt), el coeficiente de rugosidad de Manning (n) y el coeficiente de deslizamiento sobre las fronteras sólidas (WSC). Para cuantificar la sensibilidad del modelo se empleó el Error Relativo, definido como la relación entre la variación relativa de una variable (velocidad, profundidad, etc.) y la variación relativa en el valor del parámetro de entrada (dt, n, WSC, dx, etc.), y matemáticamente se define como:

donde f(k) es una variable que depende del valor de entrada definido para el parámetro k.

En el caso del intervalo de tiempo computacional (dt) se realizaron simulaciones con caudal de entrada constante (régimen permanente) para valores de dt de 3, 5, 10, 15 y 18 seg, conservando iguales el resto de parámetros computacionales y las condiciones del modelo. Se encontró que las velocidades y las profundidades del flujo eran estables para dt menores a 15 seg, aunque estas variables mostraron una baja sensibilidad a las variaciones del parámetro dt en el río Cauca, con ER de 2% y 5% en promedio para los niveles del agua y las velocidades respectivamente; en contraste, en el caño Nuevo se obtuvieron valores de ER entre 27% y 32% para las velocidades y prácticamente nulas en el caso de las profundidades del flujo; en la laguna de Sonso se observó una tendencia similar a la de Caño Nuevo con ER para la velocidad de entre 40% y 60%, mientras que para las profundidades la variación empleando distintos dt fue prácticamente nula.

Para determinar la influencia del coeficiente de rugosidad de Manning (n) en la hidrodinámica del sistema río Cauca-laguna de Sonso se efectuaron varias simulaciones con los valores de n de la Tabla 2, diferenciando las zonas de laguna de Sonso, Caño Nuevo y río Cauca. Los rangos de variación de la rugosidad en la laguna de Sonso y el río Cauca se estimaron a partir de características como material del fondo, grado de irregularidad, variaciones de sección y vegetación; la variación de la rugosidad en Caño Nuevo hace referencia a los valores encontrados en estudios anteriores (Martínez y Posso, 2004), los cuales muestran una relación entre el nivel del agua en el canal y el valor de rugosidad. En el río Cauca se registraron cambios de hasta 0.1 m/s y 0.30 m en profundidad al variar los valores de n. El ER calculado es del 16% para la velocidad y del 12% para la profundidad. En Caño Nuevo la velocidad fue más sensible ante cambios de n que la profundidad, como se deduce de los valores de ER alrededor de 11% y 2%, respectivamente. En la laguna de Sonso, por su parte, la variación de la profundidad con el valor de n es prácticamente nula (ER = 0), mientras que la velocidad tuvo variaciones de entre el 5% y el 9%. En general, la velocidad fue la variable que presentó una mayor sensibilidad ante cambios del valor del coeficiente  n.

 
  Tabla 2. Valores del coeficiente de Manning utilizados en el análisis de sensibilidad

El tercer parámetro en la evaluación de la sensibilidad del modelo fue el Coeficiente de Deslizamiento de Muro (Wall Slipness Coefficient, WSC por sus siglas en inglés), el cual representa la componente de la velocidad tangencial en las fronteras sólidas del modelo, como las paredes laterales de un canal artificial o las márgenes del lecho de un río.
Este parámetro permite definir las condiciones de No-Deslizamiento (WSC=0), Deslizamiento Parcial (WSC=0.5) y Total Deslizamiento en las paredes (WSC=1.0), es decir, considerar toda la componente tangencial de la velocidad junto a una frontera sólida. Los valores del WSC evaluados fueron 0.50, 0.75 y 1.00 de acuerdo con la recomendación de Jia y Wang (2001) de WSC ? 0.50 para ríos sinuosos o con geometrías complejas. Los valores de ER calculados para el río Cauca, el canal Caño Nuevo y la laguna de Sonso indican que la velocidad es la variable más sensible ante cambios del parámetro WSC, mientras que la profundidad es prácticamente insensible a este parámetro.

3.2 Calibración del modelo hidrodinámico

La calibración de un modelo matemático es un proceso iterativo por medio del cual se ajustan los coeficientes empíricos de las ecuaciones (rugosidad, coeficiente de muro, intervalo de tiempo) y la topografía esquematizada (secciones transversales, áreas de inundación, diques), con el fin de aproximar los resultados de las simulaciones al comportamiento natural del sistema.
Este proceso se realiza hasta alcanzar una representación razonable de los niveles de agua medidos en campo y los niveles calculados por el modelo para cierta condición de flujo de la cual se tengan registros.

Para efectuar la calibración se simularon los periodos 10 al 23 de abril de 2004 y 13 al 25 de junio de 2001, representativos de las condiciones de invierno y verano en el tramo de interés. Las condiciones hidrodinámicas en las fronteras abiertas del modelo se definieron con base en los niveles de agua y los caudales calculados en las secciones del río Cauca definidas como fronteras (Rodríguez & Jojoa, 2011), mediante el modelo MIKE 11 implementado en el Proyecto de Modelación del Río Cauca (CVC-Universidad del Valle, 2005),.

Durante la etapa de calibración se ajustaron los valores inicialmente considerados del coeficiente de rugosidad de Manning (n), el coeficiente de deslizamiento (WSC), el intervalo de tiempo computacional (dt) y el nivel del terreno en algunos puntos de la malla (Tabla 3).

Con estos ajustes se logró mejorar la estabilidad del modelo, corregir patrones de flujo irreales y reducir las diferencias entre niveles de agua esperados y simulados hasta aproximadamente 0.20 m, valor que se encuentra dentro del rango típico de error aceptable en modelos hidrodinámicos, de 0.15 a 0.50 m (Cunge et al., 1980).

Tabla 3. Valores calibrados de parámetros de flujo en el modelo

Figura 4. Nivel del agua calibrado en la laguna de Sonso. Periodo de invierno

4. Simulación de las condiciones hidrodinámicas actuales en la laguna de Sonso

En condiciones naturales las crecientes del río Cauca inundaban la laguna de Sonso por el extremo sur y drenaban hacia el norte para retornar al río a través de varios canales (Caño Carlina). En la actualidad, el desarrollo de infraestructura para construcción de vías y adecuación de tierras agrícolas y ganaderas prácticamente ha limitado toda la interacción superficial entre el río Cauca y la laguna al flujo a través del canal Caño Nuevo, en la zona noroccidental de la laguna. De esta forma se ha activado un rápido proceso de colmatación de la zona sur con sedimentos del río, la proliferación de macrofitas sobre el espejo lagunar y una reducción general de la velocidad del flujo al interior de la laguna; todo lo anterior redunda en una degradación de la calidad del agua de la laguna y en el aceleramiento del proceso de colmatación y pérdida de su espejo lagunar y volumen del vaso.
Con el modelo CCHE2D calibrado para el sistema Río Cauca - laguna de Sonso se analizó el patrón de flujo en periodos de invierno y verano con base en el campo de velocidades del flujo y las líneas de corriente del sistema. Para el evento de verano (junio de 2000) se obtuvieron velocidades bajas en la laguna  (máximas de 0.20 m/s en el canal caño Nuevo). Como era de esperarse, en este escenario se presenta un flujo de agua desde la laguna hacia el río Cauca a través del canal Caño Nuevo, lo cual se debe a los bajos niveles del río (Figura 5).

Figura 5.  Patrón de flujo en la laguna de Sonso y el río Cauca.      Período de verano,  junio/2000


  Para la simulación del evento de creciente del río Cauca en invierno (abril 2000) se observa un desbordamiento del río en varios sectores, sobrepasando en algunos tramos el dique marginal existente (Figura 6). Las velocidades del flujo en la laguna se incrementaron en general, alcanzando una máxima de 0.27 m/s en la zona norte y de 0.65 m/s en el canal Caño Nuevo. No obstante, no se aprecia una adecuada circulación de las aguas, especialmente en la zona sur de la laguna. En la zona norte se observa una fuerte constricción del flujo entre el río Cauca y la laguna debido al terraplén construido para la vía Buga - Mediacanoa, el cual obstruyó la natural circulación de las aguas hacia el río.
 

5. Evaluación de alternativas para el restablecimiento del flujo en la dirección sur-norte en la laguna

Como se señaló anteriormente, la hidrodinámica natural de la laguna de Sonso fue afectada drásticamente

Figura 6.  Patrón de flujo en la laguna de Sonso y río Cauca. Período de invierno, abril/2000  V (m/s

debido al levantamiento de diques para adecuación de tierras y protección de las crecientes de los ríos Cauca y Sonso en la parte sur, el taponamiento del caño Carlina en la zona norte (para la construcción de la vía Buga – Mediacanoa) y la construcción del caño.
 
Nuevo en la parte noroccidental de la laguna (como único punto de conexión de la laguna con el río Cauca).

Con el fin de mejorar la hidrodinámica de la laguna, esto es, incrementar las velocidades en la zona sur y establecer un flujo en el sentido sur-norte, se plantearon y evaluaron (mediante modelación matemática) seis alternativas de intervención, consistentes en la derivación de agua desde el río Cauca hacia la laguna en la parte sur a través de un canal de ancho de 16, 20 o 24 m y el canal Caño Nuevo con su ancho actual o ampliado a 21 m (Tabla 4).

Con estos esquemas de conexión río-laguna se permite un mejor aprovechamiento de la laguna como vaso amortiguador de las crecientes en el río Cauca.

Tabla 4  Alternativas de intervención evaluadas para la laguna de Sonso

En la Tabla 5 se presentan las velocidades máximas obtenidas en diferentes sectores. No obstante que las velocidades calculadas son relativamente bajas, la entrada de agua desde el río Cauca hacia la laguna por la zona sur genera el deseado flujo en el sentido sur-norte, eliminando la actual zona “muerta” en la laguna.

Entre las alternativas evaluadas, el esquema 4 (que considera un canal de conexión de 16 m de ancho y ampliación del canal Caño Nuevo a 21 m de ancho, ver Figura 7) produce, en promedio, el mayor incremento en las velocidades del flujo en toda la extensión de la laguna.

 
Tabla 5. Velocidades máximas del agua calculadas para los esquemas de conexión río Cauca-laguna de Sonso evaluados

6.  Conclusiones y recomendaciones

Para evaluar distintas alternativas de intervención en la laguna con el fin de reactivar el flujo en su interior en el sentido sur-norte se implementó el modelo matemático bidimensional CCHE2D del sistema río Cauca - laguna de Sonso. Mediante la modelación matemática se evaluaron seis diferentes esquemas de conexión, consistentes en la captación de agua desde el río Cauca en la zona sur de la laguna a través de un canal y la ampliación del canal Caño Nuevo.

Las simulaciones efectuadas, tras efectuar un proceso de análisis de sensibilidad y de calibración del modelo, muestran que las diferentes alternativas consideradas permiten mejorar el comportamiento hidrodinámico de la laguna, restableciendo el flujo en la dirección sur – norte. Entre estas alternativas adas, el esquema con un canal de conexión de 16 m de ancho en la parte sur de la laguna  y la ampliación del canal Caño Nuevo a 21 m de ancho genera, en promedio, el mayor incremento en las velocidades de la corriente al interior de la laguna.

Se recomienda continuar los estudios que conduzcan a definir el esquema de las estructuras de conexión (captación, canales, desarenadores, etc.) más apropiadas, considerando entre otros aspectos, su localización y dimensionamiento, la variación en las tasas de sedimentación y patrones de flujo, niveles de agua, velocidades y caudales, el posible arrastre o lavado de sedimentos y plantas acuáticas y la posible incidencia de la nueva hidrodinámica de la laguna en la fauna y la flora.

 7. RECONOCIMIENTOS

Este estudio fue desarrollado por el grupo de investigación en Hidráulica Fluvial y Marítima, Hidromar, de la Universidad del Valle, con la participación de Santiago Santacruz con el apoyo de COLCIENCIAS a través del programa de Jóvenes Investigadores e Innovadores “Virginia Gutiérrez de Pineda” Año 2009 y de los ingenieros Jorge Iván Jojoa y Diana Rodríguez en calidad de tesistas.
 

Figura 7. Campo de velocidades del flujo según Alternativa 4   V (m/s

 8. REFERENCIAS BIBLIOGRAFÍA

ASOYOTOCO (2007). Plan de Manejo Ambiental Integral del Humedal Laguna de Sonso, municipio de Guadalajara de Buga. Santiago de Cali, Colombia

Bocanegra, R., Ramírez, C., Cabal, A., Santacruz, S. y Serrato, C. (2008). Caracterización y modelación hidrodinámica de laguna de Sonso. En: XXIII Congreso Latinoamericano de Hidráulica. Cartagena de indias, Colombia. Septiembre 2008.

CVC – Universidad del Valle (2005). Optimización y aplicaciones de los modelos hidrodinámico, sedimentológico y morfológico del rio Cauca. Tramo La Balsa – La Virginia. Proyecto de Modelación del río Cauca - Fase II. Volumen VII. Santiago de Cali, Colombia.

Cunge, J.A., Holly, F.M. and Verwey, A. (1980). Practical aspects of computational river hydraulics. Pitman Publishing Limited, Londres, UK.

Jia, Y., Wang, S. Y. (1997). CCHE2D: A Two Dimensional Hydrodynamic and Sediment Transport Model for Unsteady Open Channel Flows Over Loose Bed. Technical report nº CCHETR- 97-2. National Center for Computational Hydroscience and Engineering, School of Engineering, University of Mississippi, EEUU

Martínez, J. y Posso, J. (2004). Balance hídrico preliminar del humedal laguna de Sonso y caracterización de sus procesos hidrodinámicos a través de la simulación numérica. Trabajo de grado. Ingeniería Sanitaria. Universidad del Valle. Santiago de Cali, Colombia.

Rodríguez, D. y Jojoa, I. (2011). Estudio y evaluación de alternativas para la restauración de la hidrodinámica de la laguna de Sonso. Trabajo de grado. Ingeniería Civil. Universidad del Valle, Cali, Colombia.