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1 Introducción
Los lagos son fuentes cruciales de agua dulce, y controlar sus niveles permite gestionar de manera efectiva este recurso. En Bolivia, los embalses son fundamentales para el suministro de agua potable y la generación de energía hidroeléctrica. La medición precisa de los niveles de agua en estos embalses es esencial para la toma de decisiones informadas en la gestión de recursos hídricos y la prevención de desastres naturales.
En este contexto, la altimetría satelital se ha convertido en una herramienta valiosa para el monitoreo de los niveles de agua en embalses, especialmente en regiones con dificultades de acceso. La misión Sentinel-1 de la Agencia Espacial Europea (ESA) ofrece imágenes de radar de apertura sintética (SAR) de alta resolución que son ideales para este propósito.
El monitoreo de los niveles de los lagos mediante imágenes de Sentinel-1 proporciona información crucial para diversos sectores, contribuyendo a la gestión sostenible de los recursos hídricos, la evaluación de riesgos, la conservación ambiental, la gestión y planificación de los recursos hídricos, el monitoreo de inundaciones y sequías, la evaluación del impacto ambiental, la investigación y el modelado del cambio climático.
Los datos precisos sobre los niveles de los lagos son esenciales para el modelado hidrológico, mejorando la predicción de inundaciones, estimación de caudales y evaluación de la disponibilidad de agua (Mason, Schumann, Neal, García-Pintado, & Bates, 2012) (Medina, Gómez-Enri, Alonso, & Villares, 2010)
Además, los niveles de los lagos influyen en la salud y el funcionamiento de los ecosistemas acuáticos, afectando la calidad del agua, la disponibilidad de hábitats y la distribución de especies. El monitoreo de los niveles de los lagos contribuye a la conservación y gestión de la biodiversidad acuática (Zeiger et al., 2021).
Los embalses desempeñan un papel crucial en la producción de energía hidroeléctrica, ya que actúan como grandes reservorios de agua que alimentan las turbinas para generar electricidad. La importancia de los niveles de agua en estos embalses radica en su capacidad para regular el flujo hídrico y mantener una producción constante y confiable de energía. Cuando los embalses están en niveles óptimos, es decir, con un volumen adecuado de agua almacenada, se asegura una mayor estabilidad en la generación de energía hidroeléctrica. Además, los embalses permiten aprovechar la energía potencial acumulada en el agua almacenada, liberándola de manera controlada para generar electricidad en momentos de alta demanda. Sin embargo, es fundamental mantener un equilibrio adecuado en los niveles de agua para evitar tanto situaciones de escasez como inundaciones, lo que implica una gestión cuidadosa y planificada de los recursos hídricos. De esta manera, los embalses desempeñan un papel vital en el suministro de energía limpia y renovable, aportando estabilidad al sistema eléctrico y contribuyendo a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero. (Peng, Feng, Larson, & Hill, 2021) (Qiao, Chu, Tissot, Ali, & Ahmed, 2023) (Zoysa et al., 2023).
Finalmente, los gobiernos, las autoridades del agua y los responsables de formular políticas confían en los datos de nivel del lago para tomar decisiones informadas, permitiendo la asignación óptima de recursos hídricos, la formulación de estrategias de gestión del agua y la implementación de políticas para garantizar un uso sostenible del agua y la conservación del ecosistema (Mission, 2023)
2 Metodología
Para monitorear los niveles de agua en los embalses Corani y Misicuni en Cochabamba, Bolivia, se utilizó la técnica de interferometría de radar (InSAR) con datos de la misión Sentinel-1. A continuación, se describen los pasos clave de la metodología:
2.1 Adquisición de datos
Se adquirieron imágenes SAR de Sentinel-1 en diferentes modos de polarización (VV y HH) para abarcar diversas condiciones de superficie. Estas imágenes fueron obtenidas en intervalos regulares para permitir un monitoreo temporal preciso.
La misión Sentinel-1, parte del programa Copernicus de la Agencia Espacial Europea (ESA), tiene como objetivo proporcionar datos de observación de la Tierra para diversas aplicaciones. Consiste en una constelación de dos satélites en órbita polar, Sentinel-1A y Sentinel-1B, que capturan imágenes de radar continuas de alta resolución del terreno (ESA, 2023) (Mission, 2023).
Las características clave de la misión Sentinel-1 son las siguientes:
Los satélites Sentinel-1 están equipados con un instrumento avanzado de radar denominado apertura sintética de radar (SAR) en la banda C, que ilumina la superficie de la Tierra y registra las señales retrodispersadas para obtener imágenes de radar de alta resolución.
Una ventaja destacada de Sentinel-1 es su capacidad para adquirir datos en cualquier condición climática, incluyendo la penetración de nubes, lluvia y oscuridad, lo que permite un monitoreo continuo.
Sentinel-1 captura datos SAR en diferentes modos de polarización, como transmisión vertical-recepción vertical (VV) y transmisión horizontal-recepción horizontal (HH), lo que mejora la información capturada y permite una mejor discriminación de las características de la superficie.
Los satélites Sentinel-1 siguen una órbita sincronizada con el sol, lo que les permite cubrir sistemáticamente todo el globo y proporcionar cobertura global con una alta frecuencia de revisitas.
Los datos de Sentinel-1 son especialmente útiles para el análisis SAR interferométrico (InSAR), que mide las diferencias de fase entre imágenes para medir deformaciones superficiales, realizar mapeos topográficos y detectar cambios (Engine):, 2023) (Frappart et al., 2021).
Los datos de Sentinel-1 están disponibles de forma gratuita y abierta al público, lo que promueve su acceso y utilización por parte de la comunidad científica, agencias gubernamentales y entidades comerciales, fomentando la innovación y el desarrollo de nuevas aplicaciones.
Los objetivos principales de la misión Sentinel-1 son proporcionar datos confiables y oportunos para aplicaciones operativas y monitoreo ambiental a largo plazo, contribuyendo a los esfuerzos globales para comprender y gestionar los recursos, el clima y los peligros naturales de nuestro planeta.
En resumen, la misión Sentinel-1 es un valioso activo para el monitoreo y análisis de la superficie terrestre a escala global, gracias a su capacidad de generación de imágenes SAR, su cobertura para todo clima, su frecuencia de revisita global y su política de datos abiertos.
La Figura 1 muestra las características de adquisición del sistema de satélites Sentinel 1.
2.2 Interferometría de radar
La interferometría de radar, también conocida como InSAR, es una técnica empleada en sistemas como Sentinel-1 para el monitoreo de niveles de agua en embalses. Esta técnica utiliza la coherencia de las ondas de radar para medir los cambios en la fase de las ondas a medida que se propagan desde el satélite hacia la superficie del agua y regresan (Nguyen et al., 2023; Raspini, 2020)
El proceso implica adquirir dos o más imágenes SAR de la misma área del embalse, tomadas en diferentes momentos o desde posiciones ligeramente diferentes.
Estas imágenes se comparan píxel por píxel para analizar la diferencia de fase y extraer información sobre los cambios en los niveles de agua.
La interferometría de radar permite una monitorización continua y precisa de los niveles de agua en el embalse, incluso en condiciones climáticas adversas o en áreas de difícil acceso. Es especialmente útil en la gestión de recursos hídricos y la planificación de la distribución del agua, proporcionando información crucial para evaluar la disponibilidad de agua, gestionar el riego agrícola, el suministro de agua potable y la generación de energía hidroeléctrica. (Abdalla et al., 2021) (Crétaux & Birkett, 2006)
2.3 Procesamiento de Datos:
Se aplicó la técnica InSAR para crear interferogramas a partir de las imágenes SAR. Los interferogramas son representaciones de las diferencias en la fase de las señales de radar entre dos momentos en el tiempo. Estas diferencias de fase están relacionadas con cambios en la topografía y el nivel del agua.
El procesamiento de análisis InSAR se realizó utilizando el software SNAP para el monitoreo de los niveles de embalses.
Este proceso incluye los siguientes pasos:
Adquisición de imágenes SAR: Se utilizan imágenes SAR del área del embalse capturadas por el satélite Sentinel-1 en diferentes momentos, con un intervalo de tiempo adecuado para capturar los cambios en los niveles del embalse.
Preprocesamiento de los datos SAR: Las imágenes SAR se someten a preprocesamiento para corregir errores del sensor, distorsiones geométricas y efectos atmosféricos. Esto puede implicar la calibración radiométrica, la corrección del terreno y la eliminación de artefactos o ruido.
Registro conjunto: Se realiza un registro conjunto de las imágenes SAR adquiridas para garantizar una alineación precisa. Esto implica alinear geométricamente las imágenes en un sistema de coordenadas común, teniendo en cuenta cualquier distorsión geométrica o movimiento entre las adquisiciones.
Generación de interferograma: Se genera un interferograma utilizando las imágenes SAR registradas conjuntamente. Esto se logra calculando la diferencia de fase entre las imágenes para cada píxel, lo cual representa los cambios en la distancia recorrida por las ondas de radar debido a los cambios en la altura de la superficie del embalse.
Desenvolvimiento de fase: Para obtener valores de fase absolutos y medir con precisión los cambios en los niveles del embalse, se realiza un proceso de desenvolvimiento de fase. Esto elimina las ambigüedades de 2Π y reconstruye los valores de fase continuos.
Conversión de fase a altura: Los valores de fase desenvueltos se convierten en medidas de altura utilizando información de calibración y modelos de corrección atmosférica. Estas medidas representan los cambios en la elevación de la superficie del embalse.
Análisis e interpretación: Se analizan las medidas de altura derivadas para monitorear los cambios en los niveles del embalse. Los valores positivos indican un aumento en los niveles y los valores negativos indican un descenso. Estas mediciones se utilizan para evaluar la tasa de cambio, identificar áreas de interés y comprender la dinámica del embalse.
Además, al repetir el análisis InSAR en múltiples intervalos de tiempo, se puede generar una serie temporal de cambios en el nivel del embalse, lo que proporciona información valiosa sobre el comportamiento a largo plazo y las fluctuaciones.
La interpretación y visualización de los resultados incluyen la generación de mapas, el análisis de series temporales y el uso de diversas técnicas de visualización. Estos enfoques son esenciales para comprender la dinámica de los cambios en los niveles del embalse y comunicar los resultados de manera efectiva a las partes interesadas y responsables de la gestión de recursos hídricos (Enguehard et al., 2023).
2.4 Descripción general de los casos de estudio - Embalses Corani y Misicuni
2.4.1 Embalse Corani
La Central Hidroeléctrica Corani es la más antigua de Bolivia, ubicada en la provincia de Chapare, Cochabamba. Desde su puesta en operación en 1967, aprovecha la cascada del río Paracti, situado a unos 76 km de la ciudad de Cochabamba, a una altitud de 2600 m s. n. m. (Corani, 2023)
El funcionamiento de la Central Hidroeléctrica Corani, así como de otras centrales hidroeléctricas de la cuenca, como Santa Isabel, San José 1, San José 2 y futuras construcciones, depende del embalse artificial llamado Lago Corani. El lago recibe los caudales de los ríos Corani, Kanko, Candelaria, Tablas, Tholamayu y Kayarani, permitiendo regular el suministro de agua a las centrales hidroeléctricas.
En 1966, el lago Corani tenía una extensión de 1.200 ha y una capacidad de 82 millones de m3. En 1983, se realizó una ampliación que elevó la capacidad a 145 millones de m3, aumentando el nivel de vertedero en 5 m y expandiendo el área inundada a 1.550 ha. También se construyeron túneles y canales para captar las aguas de Pajchahuayco, Kentimayu, Rumichaca, Alisumayu y Cinturillas como parte del desarrollo del sistema Málaga. En 2017, se realizó una batimetría del lago Corani para verificar su capacidad y presencia de sedimentos, estableciendo un volumen de 145 millones de m3.
La Central Hidroeléctrica Corani, con su potencia instalada de 69,45 MW y sus cinco turbinas Pelton, junto con el Lago Corani y los sistemas de aducción, constituye una importante fuente de generación de energía hidroeléctrica en la región, contribuyendo al suministro eléctrico del país.
La Figura 2 presenta imágenes del Embalse Corani.
2.4.2 Embalse Misicuni
El Proyecto Múltiple Misicuni tiene como objetivo aprovechar el agua de las cuencas de los ríos Misicuni, Viscachas y Putucuni mediante la construcción de una presa y el trasvase de sus aguas en el Valle Central de cochabamba. Su propósito principal es mejorar la disponibilidad de agua en la región para promover el desarrollo económico, social y cultural (Misicuni, 2023).
El proyecto ha sido llevado a cabo en distintas etapas, basándose en estudios de factibilidad, diseño y análisis de impacto ambiental realizados por empresas internacionales. También se han implementado programas de participación privada.
El Proyecto Múltiple Misicuni se divide en varias etapas, cada una con objetivos específicos y obras correspondientes. El Plan Inmediato se centra en la producción de 450 L s-1 de agua cruda para consumo humano. Las siguientes etapas se enfocan en la producción de agua potable, riego y generación de energía eléctrica.
Las principales obras del proyecto incluyen la construcción de una presa, un túnel principal, un conducto forzado, una casa de máquinas y subestación, un embalse de compensación, canales de riego, sistema de aducción, planta de tratamiento y conducción de agua potable, entre otros. Estas obras se ejecutan en diferentes etapas del proyecto.
La presa se construye en dos etapas, alcanzando una altura final de 120 m. Destaca el embalse de Misicuni, con un volumen útil de 31,5 millones de m3 en la primera etapa y 154 millones de m3 en la etapa final. Este embalse es fundamental, ya que permite almacenar una cantidad significativa de agua para su uso posterior en los diferentes fines previstos.
La Figura 3 presenta imágenes del Embalse Misicuni.
3 Datos de mediciones de niveles de embalses
3.1 Mediciones en sitio
Las empresas Corani y Misicuni realizan mediciones diarias de niveles de embalse. Los datos proporcionados abarcan mediciones desde el año 2017 hasta mediados del año 2022.
La Figura 4 muestra un registro de datos diarios de los embalses.
3.2 Mediciones mediante Imágenes satelitales Sentinel 1
3.2.1 Análisis Temporal
Se generaron series temporales de interferogramas para cada embalse, lo que permitió observar las fluctuaciones estacionales y de largo plazo en los niveles de agua. El análisis de tendencias proporcionó información valiosa sobre los cambios en el almacenamiento de agua en los embalses.
La Figura 5 muestra un ejemplo de procesamiento de imágenes satelitales de Sentinel 1 para el año 2018 en la que clara mente se identifica la variación de nivel y cuantificación del área correspondiente en el embalse.
4 Resultados
Los resultados del monitoreo de los niveles de agua en los embalses Corani y Misicuni muestran una concordancia notable entre los datos obtenidos mediante InSAR y las mediciones de campo. Se observaron variaciones estacionales consistentes con las precipitaciones y el uso del agua para riego y generación de energía. Además, se identificaron tendencias a largo plazo que pueden ser de interés para la gestión sostenible de los recursos hídricos.
El comportamiento de los embalses a nivel estacional se identifica que tiene un periodo de recarga desde los meses de diciembre a abril en casa año, debido a las precipitaciones en las cuencas aportantes, y tiene un ciclo de descarga de abril a los primeros días de diciembre.
La Figura 6 presenta un conjunto de resultados del procesamiento de imágenes Sentinel 1 más cercanos a estas fechas de abril a diciembre, para los años del 20172022 que permiten identificar las áreas de descarga-
Figura 6: Conjunto de resultados del procesamiento de imágenes Sentinel 1 de abril a diciembre para los años del 2017-2022 a) Corani y b) Misicuni
La Tabla 1 presenta los resultados y comparación entre las mediciones en sitio y las obtenidas mediante procesamiento de imágenes de radar sentinel 1 mostrando una buena correlación.
5 Conclusiones
Este estudio demuestra la eficacia de la altimetría satelital, en particular la técnica InSAR con datos de Sentinel-1, para el monitoreo de niveles de agua en embalses en Cochabamba, Bolivia. La combinación de tecnología de radar de apertura sintética y análisis temporal proporciona información valiosa para la gestión de recursos hídricos y la toma de decisiones informadas. La correlación exitosa con datos de campo valida la precisión de esta metodología y su relevancia para regiones de difícil acceso.
Se destaca la importancia de utilizar imágenes de la misión satelital Sentinel-1, que emplea tecnología de radar de apertura sintética (SAR), para monitorear los niveles de agua en embalses. Esta tecnología permite obtener información continua de los cuerpos de agua durante el día y la noche, y bajo diversas condiciones ambientales. Se utiliza la interferometría de radar (InSAR) para medir los cambios en la superficie de la Tierra y analizar las series temporales de datos para identificar tendencias a largo plazo y variaciones estacionales en los embalses.
El artículo presenta dos casos de estudio de embalses en Cochabamba, Bolivia: Corani y Misicuni. Se utiliza información de monitoreo de niveles de embalses obtenida en el sitio, que se correlaciona con los resultados obtenidos mediante la tecnología SAR. Los resultados muestran una comparación exitosa entre los datos de monitoreo y los obtenidos mediante la tecnología SAR, lo que demuestra la eficacia de esta metodología con variaciones menores al 2 %.
Se destaca que el monitoreo de los niveles de los embalses es crucial para evaluar la disponibilidad y distribución del agua, y tiene aplicaciones en diferentes sectores, como el suministro de agua potable, la agricultura, el uso industrial, la preservación del ecosistema y la gestión de riesgos. Los datos precisos sobre los niveles de los embalses son esenciales para el modelado hidrológico, la estimación de caudales y la evaluación de la disponibilidad de agua. Además, el monitoreo de los niveles de los embalses contribuye a la comprensión de los impactos del cambio climático y la conservación de la biodiversidad acuática.
En cuanto a la metodología, se describe el uso de la misión satelital Sentinel-1, que adquiere imágenes de radar de alta resolución y captura datos SAR en diferentes modos de polarización. Se utiliza la técnica InSAR para medir los cambios en la fase de las ondas de radar y obtener información sobre los niveles de agua en los embalses.
En resumen, el artículo demuestra la eficacia del monitoreo de niveles de agua en embalses mediante el uso de tecnología SAR y la técnica InSAR.
6 Agradecimientos
Los autores agradecen el apoyo proporcionado por el proyecto "Mejora de la conservación y gestión de la biodiversidad mediante el monitoreo de los impactos ecológicos y sociales de los megaproyectos hidroeléctricos en Bolivia". También agradecen a la Agencia Espacial Europea (ESA) por poner a disposición los datos de la misión Sentinel-1.
