Author: Humberto Silva Hidalgo

MODELO MATEMÁTICO PARA LA DISTRIBUCIÓN DE AGUA SUPERFICIAL EN CUENCAS HIDROLÓGICAS

HUMBERTO SILVA HIDALGO (2010)

El futuro de la humanidad dependerá en gran medida de la conducta que tome

con respecto al cuidado del planeta en el que habita. Como bien es sabido, el

agua, es vital para la vida, solo la falta de oxigeno puede afectar a la humanidad

de manera más inmediata que la falta del líquido, sin embargo, este recurso

también es indispensable para que el propio medio físico pueda existir en

condiciones saludables. La escasez del recurso hídrico ya ha mostrado su enorme

potencial en la generación de conflictos entre las personas que lo utilizan, incluso

en países desarrollados. Es por ello, que se ha vuelto impostergable el desarrollar

e implementar nuevo esquemas de previsión, planeación, administración y

preservación de los recursos que permitan asegurar la satisfacción de las

necesidades del hombre, sin el deterioro del entorno físico que se ha observado

en los últimos años. Precisamente la reflexión plasmada en el párrafo anterior, es

la que motivo el desarrollo del trabajo de investigación que se presenta en esta

tesis.

En la primera parte de este trabajo se profundizó en el análisis de los procesos

físicos que tienen lugar en una cuenca hidrológica y que inciden en la

disponibilidad natural del agua superficial que en ella se genera. Como uno de los

resultados, se propuso una nueva metodología, fundamentada en un análisis

teórico-matemático detallado, que permite estimar de manera conjunta los (1)

escurrimientos restituidos netos por cuenca propia (comúnmente llamados

escurrimientos naturales), (2) la tasa de retorno de irrigación, así como (3) el

volumen de pérdidas y ganancias netas que ocurren a lo largo de los cauces

naturales. Con este nuevo método se da solución, al problema de obtención de

valores negativos de escurrimiento natural, que presentan los métodos de

restitución existentes. También provee la forma de estimar el porcentaje del

volumen de agua que se utiliza en irrigación que se reincorpora nuevamente al

escurrimiento superficial de los ríos, así mismo permite cuantificar el volumen

perdido o ganado (neto) a lo largo del cauce natural. Ambas variables son de

mayor importancia para el desarrollo de estudios de balance hídrico en cuencas

(p. ej. estimación del escurrimiento restituido neto), sin embargo, difícilmente se

dispone de mediciones físicas de ellas.

El establecer nuevos esquemas de manejo del recurso hídrico, requiere

primero, el conocer la cuantía del recurso espacial y temporalmente (primera parte

de la tesis), para posteriormente determinar la mejor forma de utilizarlo o

distribuirlo a lo largo de la cuenca bajo estudio. El determinar la mejor forma de

utilizarlo requiere del desarrollo y evaluación de políticas de manejo factibles en la

cuenca en cuestión, así como de un proceso de toma de decisiones. Para facilitar

el proceso de toma de decisiones, así como la evaluación de políticas de manejo

del recurso hídrico, se desarrollo un modelo matemático de distribución de agua

(MMDA).

El problema de distribución de aguas superficiales en cuencas hidrológicas

aforadas fue analizado a profundidad, encontrándose que su modelación

matemática debe centrarse en el funcionamiento de los sistemas presas-ríos. El

funcionamiento hidrológico de la cuenca es un dato de entrada en el modelo y está

representado a través de la serie de tiempo de escurrimientos restituidos netos por

cuenca propia.

El MMDA se fundamenta en el principio físico de conservación de masa,

aprovechando que los usuarios del agua, quienes participan en la toma de

decisiones, están familiarizados con él. La estructura conceptual y matemática del

modelo de distribución de agua superficial en cuencas hidrológicas, probó ser

representativa de los procesos físicos que tienen lugar en la incluyendo los

procesos operativos que se realizan en las presas de almacenamiento y de los

fenómenos físicos que tienen lugar en los cauces naturales. Evidencia de ello, el

MMDA que se construyó para la cuenca del río Conchos fue capaz de reproducir

el escenario histórico adecuadamente, previa calibración de los parámetros del

mismo.

Como caso de ejemplo demostrativo se desarrollaron dos escenarios de manejo

factibles en la cuenca del río Conchos (1) considerar que el límite superior de

extracción es el volumen que se establece en los títulos de concesión y (2)

considerar que el límite superior de extracción de agua superficial es el volumen

que se establece en los títulos de concesión, así mismo considerar la disminución

de concesión que se logró mediante el Programa de Adecuación de Derechos de

Agua en cuenca del Río Conchos. El MMDA permitió comparar ambos escenarios

en base a indicadores estadísticos, lo que facilita el tomar decisiones.

Ambos escenarios ofrecen resultados favorables en cuanto a minimizar

frecuencia y magnitud del déficit de agua distribuida en la cuenca con respecto al

volumen concesionado. También se incrementan los escurrimientos de agua

superficial en los cauces de la cuenca del río Conchos, con importantes beneficios

en el medio ambiente.

Como parte de los trabajos desarrollados fueron publicados: (1) un artículo en la

revista científica internacional Water Resources Management, editada por

Springer; y (2) cuatro artículos en dos congresos internacionales; (veáse anexo

G).

Doctoral thesis

BIOLOGÍA Y QUÍMICA

MODELACIÓN MATEMÁTICA PARA EL MANEJO INTEGRADO DE LOS RECURSOS HÍDRICOS EN CUENCAS HIDROLÓGICAS. ESTADO ACTUAL Y TENDENCIAS.

HUMBERTO SILVA HIDALGO MARIA TERESA ALARCON HERRERA IGNACIO MARTIN (2016)

El Manejo Integrado de los Recursos Hídricos (MIRH) es un proceso de planeación estratégica para promover el

manejo y desarrollo conjunto del agua y recursos naturales relacionados, con la finalidad de lograr su mejor

aprovechamiento económico y mayor bienestar social, sin perjuicio del medio ambiente (GWP-TEC, 2004). Ello

implica el empleo de conocimientos de diversas disciplinas, así como aportaciones de los distintos actores

involucrados, con el objeto de definir y poner en práctica soluciones integrales, eficientes, técnicamente posibles,

socialmente aceptables y ambientalmente sustentables (WWC-CNA, 2006). Bajo un enfoque de MIRH se

considera que la modelación matemática, el análisis de datos y la creación y mantenimiento de bases de datos

digitales, son actividades que desarrollan capacidades técnicas que permiten dicha gestión (WWC-CNA, 2006b).

Conference proceedings

Modelación matemática. CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA MATEMÁTICAS OTRAS ESPECIALIDADES MATEMÁTICAS OTRAS

Natural flows determination in gauged hydrological basins. Part II: The effect of time scale

HUMBERTO SILVA HIDALGO IGNACIO MARTIN ALFREDO GRANADOS OLIVAS MARIA TERESA ALARCON HERRERA (2008)

In this work, the effect of the time scale on the determination of natural flows in gauged hydrological basins is analyzed using available hydrometric historic records and the mass conservation equation. The upper - middle basin of the Florido river (Río Florido), in the northern Mexican State of Chihuahua, was used to perform this study. The basin was divided into the upper sub-basin (U-SB), with no infrastructure for water use; and the middle sub-basin (M-SB), where the complete infrastructure of Irrigation District 103 is located. The mean annual natural flow of both sub-basins was estimated, using the annual and monthly time scales, for the period spanning from 1982 to 2002. There are no return flows in U-SB, while in M-SB flows are generated by the irrigation district.

Conference proceedings

irrigation return flows Water availability Hydrological assessment BIOLOGÍA Y QUÍMICA CIENCIAS DE LA VIDA OTRAS ESPECIALIDADES DE LA BIOLOGÍA OTRAS

MÉTODO ALTERNATIVO PARA LA ESTIMACIÓN DE FLUJOS DE RETORNO AGRÍCOLA EN CUENCAS HIDROLÓGICAS

HUMBERTO SILVA HIDALGO IGNACIO RAMIRO MARTIN DOMINGUEZ MARIA TERESA ALARCON HERRERA ALFREDO GRANADOS OLIVAS (2008)

La correcta determinación de los escurrimientos naturales (EN) en una cuenca hidrológica, es de gran utilidad para definir mecanismos de control que permitan aprovechar

el recurso hídrico de forma sustentable. Un procedimiento para obtener los EN en cuencas aforadas consiste en remover de las series de tiempo de hidrometría, los efectos

de la actividad humana que utilizó el agua, incluyendo extracciones, flujos de retorno y el efecto de almacenamiento en presas (Wurbs, 2005). Generalmente, la agricultura

es el principal sector que demanda agua en una cuenca, sin embargo, frecuentemente se carece de mediciones del volumen que retorna al escurrimiento superficial

después de su uso en esta actividad. Así, es una práctica común adoptar valores típicos reportados en la literatura, de entre un rango de 20% a 50% del volumen que se

emplea para irrigación (Yoshitani & Tianqi, 2007; Jothiprakash, 2003). Esto introduce una incertidumbre severa en la determinación de los EN.

Conference poster

Cuencas agrícolas CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA OTRAS ESPECIALIDADES FÍSICAS OTRAS

Determinación de NORM en suelos urbanos de ciudades seleccionadas en Chihuahua, México

NORM determination in urban soils from selected cities in Chihuahua, Mexico

LUIS HUMBERTO COLMENERO SUJO María De Lourdes Villalba Héctor Oswaldo Rubio Arias María Elena Montero Cabrera Humberto Silva Hidalgo (2016)

La radiactividad del suelo afecta al cuerpo humano. Este estudio determinó la actividad del 238U, 232Th and 40K (NORM) en 164 suelos urbanos de trece ciudades del estado de Chihuahua, México. Se calculó la tasa de dosis absorbida y de dosis efectiva anual. Se usó un detector de germanio hiperpuro (HPGe), modelo Ge 2020, Termo y Dewar 7500 SL marca CANBERRA. Análisis de Varianza (ANOVA) y una prueba de Turkey fueron corridas para detectar las dife-rencias estadísticas. Los promedios de actividad fueron de 36.8 Bq kg–1 para 238U, 41.4 Bq kg–1para 232Th y 805.7 Bq kg–1 para 40K. La tasa de dosis absorbida estuvo en un intervalo entre 36 nGy h–1 a 83 nGy h–1, mientras la dosis efectiva anual varió de 1.02 mSv y–1 a 0.44 mSv y–1. Los resultados muestran que algunos valores exceden los promedios mundiales y que están entre los más altos valores mundiales

Soil radioactivity affects the human body. This study determinates the

238U, 232Th and 40K activity (NORM) in 164 urban soils in 13 cities in the State of Chihuahua, Mexico. Absorbed Dose Rate and the Annual Effective Dose were also calculated. Activities were analyzed using a coaxial hyper-pure germanium detector (HPGe), Ge Model 2020, Thermo and Dewar 7500 SL (CANBERRA brand). A one-way variance analysis (ANOVA) was performed and a Tukey test was applied to identify mean differences. Activity averages were 36.8 Bq kg–1 for 238

U, 41.4 Bq kg–1 for 232Th and 805.7 Bq kg–1 for 40K. Calculated absorbed dose rate ranged from 36 nGy h–1 to 83 nGy h–1 while Annual Effective Dose varied from 1.02 mSv y–1 to 0.44 mSv y–1

. Results suggest that some levels exceed global averages and are among the highest levels of natural radioactivity in the world.

Article

CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA Radiactividad Suelo Estado de Chihuahua Dosis Radioactivity Soil Chihuahua State Dose

Natural flows determination in gauged hydrological basins. Part I: Alternative method for irrigation return flows estimation

HUMBERTO SILVA HIDALGO IGNACIO MARTIN MARIA TERESA ALARCON HERRERA ALFREDO GRANADOS OLIVAS (2008)

The correct determination of natural flows in a hydrological basin is of great help in defining control mechanisms that would permit the sustainable use of water resources. The possibility of quantifying the natural flows is conditioned to the existence of historical records of booth gauged flows and the remainder parameters of the mass conservation equation. In most basins water is used for agricultural activity; however, in very few occasions is it possible to have measurements of the water volume that returns to surface flow after its agricultural use. Therefore, agricultural return flow is commonly quantified as a percentage of the total water volume used for this activity. When no previous estimates of the agricultural return flows in the studied basin are available, it is a common practice to use typical values reported in literature, usually taking the return flow to be between 20% to 50%. This introduces severe uncertainty to the determination of natural flows in the basin.

Conference proceedings

Irrigation return flows Water availability Hydrological assessment BIOLOGÍA Y QUÍMICA CIENCIAS DE LA VIDA OTRAS ESPECIALIDADES DE LA BIOLOGÍA OTRAS

The effect of time scale on the determination of water availability in gauged water basins

HUMBERTO SILVA HIDALGO IGNACIO MARTIN MARIA TERESA ALARCON HERRERA ALFREDO GRANADOS OLIVAS (2008)

An increasing number of basins in different latitudes face serious problem of water overexploitation.

Establishing the limits until which it is possible to make sustainable use of surface water resources is

transcendental both for basins that are starting their development of hydraulic infrastructure and for

those that are already developed. It is for this reason that the Mexican Secretariat of the Environment

and Natural Resources emitted the Official Mexican Norm NOM-011-CNA-2000, which establishes the

procedure to determine the availability of national waters. The objective of this work is to analyze the

effect of time scale in the determination of the availability of surface waters in basins through the method

established by the Mexican norm. The basin used for the development of this work was the mediumupper

basin of the Florido River, in the northern Mexican state of Chihuahua. The basin was divided into

Upper Sub-Basin (U-SB1), which lacks infrastructure for water use, and Middle Sub-Basin (M-SB2), in

which Irrigation District 103 and its well-developed infrastructure are located. The availability of surface

water in both sub-basins was determined at annual and monthly time scales. The downstream flow

determined in regulatory or water availability terms for sub-basin U-SB1 was 104 Mm3 both for the

annual and monthly time scales. The downstream flow determined in terms of water availability for subbasin

M-SB2 was 17.7 Mm3 at the annual scale and 41.3 Mm3 at the monthly scale.

Conference proceedings

Basin management Natural flows BIOLOGÍA Y QUÍMICA CIENCIAS DE LA VIDA OTRAS ESPECIALIDADES DE LA BIOLOGÍA OTRAS

Water resource management in hydrological basins: the case of Mexico

HUMBERTO SILVA HIDALGO IGNACIO MARTIN MARIA TERESA ALARCON HERRERA ALFREDO GRANADOS OLIVAS (2008)

Integrated water resource management (IWRM) has been recently incorporated to the Mexican

national water policies through the National Waters Law. The objective of this document is to identify the

area of opportunity for the development of mathematical models that would facilitate the instrumentation

of IWRM at a national level. The legal, institutional and normative frameworks were analyzed for this

purpose, as were the social participation mechanisms foreseen since the modification of the National

Waters Law in the year 2004. It is concluded that in Mexico there exist the legal, institutional, normative

and social participation conditions necessary for the management of water resources. They must be

used to define a general work frame for the development, construction and instrumentation of

mathematical basin models. In addition, there is a series of local water distribution procedures known by

the water users that are compatible with the current norms addressing the determination of water

availability. This constitutes a niche for research, since it is possible to develop a general model for the

analysis of water distribution or river/dam system operation that is acceptable to the users without

compromising science. Similar processes are being performed in other countries as in Mexico, and so

the results of this study can be very useful.

Conference proceedings

Basin management Surface water use Water resources use planning BIOLOGÍA Y QUÍMICA CIENCIAS DE LA VIDA OTRAS ESPECIALIDADES DE LA BIOLOGÍA OTRAS