Modelación Hidrológica Distribuida en la Cuenca del Río La Miel

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1 Modelación Hidrológica Distribuida en la Cuenca del Río La Miel Jorge Julián Vélez Upegui Ingeniero Civil, Ph.D. en Planificación y Gestión de Recursos Hídricos Profesor Asociado. Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. jjvelezu@unal.edu.co Marinela Valencia Giraldo Ingeniera Ambiental. Estudiante Maestría en Medio Ambiente y Desarrollo Investigadora Auxiliar. Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. mcvalenciag@unal.edu.co XVIII Seminario Nacional de Hidráulica e Hidrología Sociedad Colombiana de Ingenieros Bogotá, D.C. 22, 23 y 24 de mayo de 2008 Resumen. La modelación hidrológica distribuida de tipo conceptual ha sido aplicada de forma satisfactoria en la cuenca del río La Miel (Caldas), los resultados obtenidos constituyen una herramienta en el proceso dinámico de ordenación del recurso hídrico. El objeto del estudio fue realizar una simulación de la oferta hídrica a largo plazo, en varios puntos de interés en la cuenca, aprovechando las ventajas de la modelación distribuida que permiten obtener resultados en sitios no aforados basándose en información de sitios aforados. El modelo distribuido requiere la determinación de las características fundamentales del suelo, para lo cual se realizó un proceso de estimación de sus parámetros. La calibración y validación del modelo muestran resultados satisfactorios, lo que reduce la incertidumbre en la simulación a largo plazo. En general, es factible y eficiente el uso de la modelación hidrológica distribuida de tipo conceptual en cuencas colombianas como elemento de ordenación de cuencas.

2 1. Introducción La gestión de los diferentes recursos naturales renovables y no renovables debe partir de una adecuada evaluación que permita determinar, entre otros, su oferta, demanda, disponibilidad, potencialidades y restricciones. Tratar el tema agua desde el enfoque de la Gestión implica una transición del concepto de recurso mismo, así como del concepto de naturaleza y de medio ambiente. Una gestión adecuada y eficiente del agua implica entender de una manera amplia el papel del agua en los procesos biológicos, los ecosistemas y en la sociedad. Sólo será posible encontrar soluciones acertadas cuando se tenga un mayor entendimiento de todo lo que el agua posibilita o se teje en torno a ella. La importancia del agua como ingrediente vital de nuestro entorno es indudable. Interviene de una manera o de otra en la mayoría de las actividades humanas tanto de aprovechamiento como de utilización de los recursos, convirtiéndose en un factor determinante para la planificación del territorio, (Chaparro, 1998). Los modelos hidrológicos representan de la mejor manera posible el comportamiento del ciclo del agua en una determinada cuenca. Estos modelos son de gran utilidad en el tema de la Gestión de Recursos Hídricos ya que facilitan una estimación realista de la oferta de agua. Si bien se han desarrollado varias metodologías de modelación hidrológica, la mayoría de ellas presentan ciertas restricciones, principalmente en relación al nivel de precisión, al grado de complejidad, a los requerimientos de información y a los costos. Sin embargo, hoy se cuenta con la modelación hidrológica distribuida de tipo conceptual, que aunque también tiene ciertas limitaciones, supera las restricciones mencionadas. La ventaja más significativa de este tipo de modelación la constituye el hecho de ser distribuida, lo que significa que no sólo estima la cantidad de agua a la salida de la cuenca sino que muestra la distribución espacial y temporal de este recurso en ella. En este trabajo se realiza la simulación a largo plazo en la cuenca del río La Miel empleando la modelación hidrológica distribuida de tipo conceptual, lo que permite evaluar el comportamiento de los procesos hidrológicos en diferentes puntos de interés no aforados. 2. Antecedentes El agua es un importantísimo componente de los seres vivos que posibilita, participa e interviene en una gran cantidad de fenómenos naturales y procesos biológicos, algunos de los cuales regulan el estado y disponibilidad de agua en el planeta, mientras que otros causan impactos negativos al entorno natural y en ocasiones llegan a generar catástrofes de gran magnitud. El agua actúa como el motor de los procesos físicos, químicos y biológicos que se dan en el interior de los ecosistemas y es factor limitante en su productividad, conexión, dinámica y desarrollo. 2.1 La Gestión del agua La Gestión del agua, un tema que reviste en la actualidad gran importancia, se dirige hacia un manejo óptimo y racional del recurso, lo que viene a constituir un trabajo integral y armónico orientado a mejorar las condiciones de vida de las personas. No sólo se requiere estimar la cantidad y calidad de agua adecuada para las actividades humanas y para los ecosistemas en los que ésta interviene, sino que es necesario

3 incluir variables de interés ambiental que permitan: vislumbrar los escenarios tendenciales, predecir eventos extremos, emprender acciones que controlen o disminuyan los efectos negativos, contribuir a la Gestión del Riesgo de los Desastres y a una adecuada planificación. En la actualidad existen múltiples enfoques en el tema de la gestión de los recursos; sin embargo, es la gestión del recurso hídrico la que ha tomado mayor fuerza, ya que hoy se reconoce el papel y la importancia de este recurso en los diferentes ecosistemas. 2.2 Ordenación del recurso hídrico El proceso de Ordenación Ambiental de Cuencas Hidrográficas en Colombia, contemplado en su normatividad, se orienta hacia un trabajo integral con el fin de trabajar en procura de una óptima administración de las cuencas hidrográficas; este tema de ordenación de cuencas hidrográficas constituye la norma de superior jerarquía en lo que se refiere a procesos integrales de planificación de nuestro medio. La Ordenación de Cuencas se considerada como un proceso de planificación participativa donde, por medio de acciones operativas (programas y proyectos prioritarios), se pretende encontrar salidas a la problemática ambiental de una unidad territorial entendida como cuenca hidrográfica y así desarrollar las potencialidades conferidas por la oferta ambiental ofrecida por ésta, utilizando líneas estratégicas que conduzcan a identificar los compromisos de los diferentes actores (según sus competencias), el desarrollo de las potencialidades ambientales en el área de la cuenca y la verificación de las metas planteadas encaminadas al desarrollo sostenible, (CORPOCALDAS, 2005). Antes de la constitución de 1991, la Gestión del Recurso Hídrico estaba contemplada en el Código de Recursos Naturales Renovables Decreto Ley 2811 de 1974-, el Código Sanitario y sus decretos reglamentarios. Con la nueva carta política y la reorganización del Sistema Nacional Ambiental Ley 99 de se abren unas nuevas perspectivas en la gestión de este recurso. Por otra parte, los lineamientos de política contenidos en la Ley 99/93 y en el Plan de Desarrollo y su componente ambiental -El Salto Social hacia el Desarrollo Humano Sostenible-, obligan al diagnóstico de la problemática asociada al agua, (Posada et al., 2005). 2.3 La modelación hidrológica en la ordenación del recurso hídrico Simular es representar un sistema real a través de un modelo. La mejor simulación es aquella que emplea toda la información que da cuenta de la variación espacio temporal del fenómeno que se pretende modelar, para entender el comportamiento del sistema. Un modelo no es más que una representación lo más cercano a la realidad de un fenómeno particular que normalmente presenta limitantes, referidas principalmente a la disponibilidad y manejo de información. Se requiere conocer la oferta hídrica de una cuenca hidrográfica para dar un manejo adecuado a este recurso, para lo cual es necesario acudir a la simulación a través de modelos para estimar la oferta del recurso hídrico. Tradicionalmente se han empleado modelo sencillos de tipo agregado y a escalas temporales mensuales o anuales para abordar la estimación de la oferta hídrica en cuencas (Alley, 1984). Pero recientemente, el uso de computadores más potentes y la disponibilidad de mayor información espacial y temporal permiten hacer uso de técnicas más modernas como la modelación hidrológica distribuida. Una de las ventajas de los modelos distribuidos es que permiten inferir, por ejemplo, la

4 hidrometría de una cuenca no instrumentada a partir de datos de cuencas vecinas con condiciones relativamente similares. Los modelos de simulación hidrológica son considerados una herramienta que describe con cierto grado de precisión el comportamiento hidrológico de una cuenca; éstos no sólo determinan la distribución del agua dentro de la cuenca, sino que permiten estudiar situaciones extremas, difícilmente observables en la realidad; por ejemplo, los efectos de precipitaciones muy intensas y prolongadas en cuencas hidrográficas. Los modelos deben ser utilizados para establecer tendencias más que para obtener valores absolutos, ya que ningún modelo puede considerarse universal. Todos los modelos responden bien si las condiciones donde se aplican son similares a las condiciones para las cuales fueron desarrollados. Las simulaciones hidrológicas en la actualidad cuentan con limitaciones operativas, especialmente en lo relacionado al tamaño de los datos, siendo, en muchos casos, inevitable realizar grandes simplificaciones de la realidad. Estos inconvenientes de tipo técnico no menoscaban la utilidad de los modelos, ya que empleando sistemas de información capaces de generar funciones específicas para el análisis hidrológico, se ha conseguido mejorar la calidad de los resultados al dotarlos con información relativa a su localización espacial. (Trivino y Ortiz, 2004). La modelación hidrológica distribuida es la que mejor representa la variabilidad espacial de factores que controlan el escurrimiento y refuerza el conocimiento de los procesos hidrológicos, ya que evita promediar parámetros y entradas para representar más fielmente las características de la cuenca. Estos modelos implementados sobre Sistemas de Información Geográfica, SIG, ofrecen una nueva perspectiva para afrontar el estudio hidrológico de eventos en diferentes cuencas a partir de sus características físicas y geomorfológicas, con importantes ventajas frente a los sistemas clásicos. Las principales ventajas derivan de la posibilidad de considerar la variabilidad espacial de la información involucrada, de los parámetros y de las salidas, lo que implica un considerable aumento en la calidad de los resultados frente a los que arrojan los modelos agregados. El modelo seleccionado para la este estudio corresponde al modelo TETIS desarrollado en la Universidad Politécnica de Valencia y que ha sido utilizado en diferentes climas y para cuencas de diferente tamaño (Vélez, 2001, Vélez, 2003 y Fránces et al., 2007). La principal ventaja del modelo TETIS con respecto a otros modelos distribuidos es que permite una calibración de los parámetros del modelo, que aunque se trata de mapas de parámetros previamente estimados, éstos son corregidos de forma global mediante unos factores correctores que preservan la variabilidad espacial en los parámetros. De esta forma el modelo TETIS, cuyo esquema se muestra en la Figura 1, sólo requiere calibrar nueve factores correctores (FC 1, FC 2,FC 9 ) en lugar de nueve veces el número de celdas que conforman los parámetros. Mayor información con respecto al modelo se puede consultar en Vélez (2001), Vélez (2003) y Francés et al. (2007). 2.4 Cuenca Hidrográfica del río La Miel La cuenca hidrográfica del río La Miel con un área de km 2, se encuentra ubicada en el nororiente del Departamento de Caldas, en la Zona de Confluencia Intertropical ZCIT, lo que explica que se registren allí las precipitaciones más altas del Departamento. Las características biofísicas de esta cuenca le

5 confieren un gran potencial para la oferta de bienes y servicios ambientales, razón por la cual esta zona es de gran importancia a nivel departamental y nacional. En la Figura 2 se muestra un esquema general de localización de la cuenca. PRECIPITACIÓN X 1 EVAPOTRANSPIRACIÓN Y 1 = Min(FC2. λ(t). ETP,H 1 ) EXCEDENTES X 2 = Max(0,X 1 - H. u FC1 + H 1 ) INFILTRACIÓN X 3 = Min(X 2, Δt. k s.fc 3 ) PERCOLACIÓN X 4 = Min(X 3, Δt. k p.fc 5 ) H 1 T 1 Almacenamiento Estático H 2 T 2 Almacenamiento Superficial H 3 T 3 Almacenamiento Gravitac ional H u α = 1 _ v = 1.4 s o 0.5 Δx v. FC. 4 Δt+Δx Y 2 = α. H 2 ESCORRENTÍA DIRECTA α = 1 _ Δx k. s FC6. Δt+Δx Y 3 = α. H 3 INTERFLUJO PÉRDIDAS SUBTERRÁNEAS X 5 = Min(X 4, Δt. k pp.fc 7 ) H 4 Acuífero T 4 α = 1 _ Δx k. p FC8. Δt+Δx Y 4 = α. H 4 FLUJO BASE H 5 T 5 Cauce Figura 1. Esquema conceptual del modelo TETIS. (Francés et al., 2007) Río Samaná Sur Río La Miel N Figura 2. Localización general de la cuenca del río La Miel.

6 3. Metodología Con la idea de contribuir en el proceso ordenación del recurso hídrico de la cuenca hidrográfica del río La Miel, se realizó la modelación hidrológica distribuida de tipo conceptual, con lo que se obtuvo información valiosa para la toma de decisiones en relación a la planificación del agua y de los demás recursos naturales asociados a ella. Para ello se llevaron a cabo varias etapas, cuyas actividades se mencionan a continuación: 3.1 Recopilación y procesamiento de la información Según (Vélez, 2003), se puede decir que los datos relevantes en la predicción hidrológica consisten en: información geomorfológica de la cuenca, datos hidrológicos, series históricas, información pluviométrica y meteorológica, información de usos del suelo, cubierta vegetal, edafología, geología, etc. Por lo tanto, es necesario adquirir información espacial y temporal de las principales variables biofísicas e hidroclimatológicas de la zona de estudio. Dentro de la información temporal se obtuvieron series temporales de lluvia, caudal y temperatura, a partir de esta última se obtuvo la evapotranspiración. Para la información espacial se obtuvieron las características edafológicas, topográficas, geológicas, que dan cuenta no sólo del comportamiento hidrológico de la cuenca, sino de algunos de los procesos físicos que sufre el agua cuando pasa por el ciclo hidrológico. También se empleó la información de tipo ambiental que pudiera ser de utilidad y que estuviera disponible para la zona. Toda esta información en su conjunto determina la distribución espacio temporal del agua en la cuenca. Se realiza el análisis, procesamiento y depuración de la información espacial y temporal recopilada. En cuanto a la información temporal, se analiza la cantidad y calidad de los datos pluviométricos, se unifican los formatos de presentación y se hacen las conversiones de escala necesarias. En relación a la información espacial, se analiza la cantidad y la calidad de los mapas disponibles, se generan mapas tipo ráster con un tamaño de celda igual para todos y con el mismo sistema de referencia. Con esta información se procede a la estimación preliminar de la variabilidad espacial de las principales características del suelo: conductividad hidráulica saturada del estrato superior del suelo, conductividad hidráulica saturada del estrato rocoso y el agua útil, los cuales corresponden a los parámetros que utiliza el modelo TETIS, (Puricelli, 2003; Montoya et al, 2005). En el caso del río La Miel se utilizaron series temporales a escala diaria, en donde los mapas con las principales propiedades del suelo se estimaron para una resolución de 250 m x 250 m. La escala diaria es adecuada para la Planificación y la Ordenación puesto que es fácil agregarla a escalas temporales mayores como la semanal, mensual o anual. 3.3 Calibración y validación El proceso de calibración del modelo hidrológico se realizó de forma manual, empleando la información obtenida y procesada. Se hallan por ensayo y error los valores óptimos de los factores correctores que intervienen en la modelación, de tal forma que se ajuste de la mejor manera el comportamiento hidrológico de la cuenca observado con el simulado. El ajuste del modelo dependió, en gran medida, de la información disponible y de la experiencia del personal encargado de realizar la calibración.

7 El proceso de la calibración y validación se realizó siguiendo el método del muestreo partido Split- Sample, el cual consiste en utilizar parte de la información disponible para la calibración y otra parte para la validación del modelo (Beven, 2001). En el caso del río La Miel se realiza la calibración para el período del 1 de julio de 2000 al 31 de enero de 2002 y la validación se realiza para el período de febrero de 1997 a marzo de Los resultados obtenidos de la calibración manual de la estación hidrométrica Puente Hierro (la estación más aguas abajo en la cuenca y con los registros más largos), se muestran en la Figura 3. 0 Caudal (m³/s) Observado Simulado Precipit ació n Precipitación (mm) Figura 3. Resultados de la calibración en la estación Puente Hierro Posteriormente se realizó la validación en la que se corrobora que los factores correctores encontrados durante la calibración son apropiados. Sin embargo, los resultados de la validación en la cuenca de río La Miel son muy dispersos, lo cual se justifica por la alta variabilidad presente en los procesos hidrológicos (Valencia, 2008). Es importante mencionar que para los modelos distribuidos es necesario realizar de forma conjunta la validación de tipo espacial, temporal, y espacio-temporal. En el análisis de sensibilidad del modelo se identificaron las variables que en la calibración, ante cambios de valores en los factores correctores asociados a éstas, mostraron mayor sensibilidad en el balance hídrico que hace el modelo. Esta etapa es importante para obtener en un sentido cualitativo la incertidumbre asociada al modelo. En el caso del río La Miel la evapotranspiración, la infiltración y la percolación fueron las variables que presentaron mayor sensibilidad. 3.6 Simulación Una vez el modelo ha sido calibrado y validado es posible proceder con la simulación a largo plazo con cierto grado de confianza. La simulación hidrológica realiza el balance hídrico en la cuenca, empleando los factores correctores del modelo TETIS encontrados durante la calibración, para evaluar el comportamiento

8 de los diferentes procesos hidrológicos involucrados. Se decide correr el modelo con la información del periodo comprendido entre 1965 y Se evalúan varios puntos de interés, las subcuencas más importantes dentro de la cuenca, desde el punto de vista hidrológico, ecosistémico y/o social. También se evaluó el punto donde se tiene proyectado realizar el trasvase de aguas del río Manso al Proyecto Miel I, con el fin de tener una idea del agua que capta esta microcuenca en este punto. El punto a la salida de la cuenca permite visualizar los aportes del río La Miel a la Cuenca del río Samaná Sur. Los sitios seleccionados son: el río Pensilvania antes de la confluencia con el río Tenerife, el río Salado antes de la confluencia con el río Pensilvania, el río La Miel antes de la afluencia del río Tenerife, el río La Miel después de la afluencia del río Tenerife, el río Moro antes de la confluencia con el río La Miel, el río Manso en el punto donde se tiene proyectado el trasvase, el río Manso antes de la afluencia al río La Miel y el río La Miel en el punto de salida de la cuenca. 4. Resultados El resumen de los resultados de la simulación se muestra en la Tabla 1. En donde se aprecia que: la subcuenca del río Manso, en la cual se tiene proyectado trasvasar agua al Proyecto Miel I, a pesar de tener un área de captación relativamente pequeña, presenta unos aportes relativamente altos, por lo tanto se puede decir que esta zona capta una buena cantidad de agua en relación a toda la cuenca. La mayor precipitación media anual multianual se registra en la subcuenca del río Moro y las que presentan la menor precipitación media anual multianual son las subcuencas de los ríos Salado y Tenerife. Tabla 1. Resumen de resultados de la simulación hidrológica realizada desde 1965 hasta 2002 con el modelo TETIS. (PPT: precipitación, ETR: Evapotranspiración real, ETP: evapotranspiración potencial, APO: aportes, PER: pérdidas subterráneas, todas ellas en mm/año) Punto Área (km²) PPT ETR ETP APO PER Río Salado Río Pensilvania Río Moro Río Manso Río La Miel -Tenerife Río La Miel + Tenerife Trasvase Río Manso Río La Miel En términos generales, la cuenca del río La Miel presenta unos valores de precipitación media anual multianual significativamente altos y la contribución de cada uno de los componentes del hidrograma (ED Escorrentía Directa, FS - Flujo Subsuperficial, FB Flujo Base), fue relativamente igual. En las subcuencas de los ríos Moro y Manso fue en donde la ED representó una mayor contribución al caudal. En los puntos evaluados de la zona alta la contribución de la ED al caudal fue mínima. En la mayoría de los puntos evaluados el FB tuvo un papel preponderante en el aporte al caudal. Este análisis de componentes de flujo es factible ya que se realiza de forma implícita en el modelo TETIS.

9 Se puede afirmar que la cuenca hidrográfica del río La Miel tiene una gran riqueza de recurso hídrico, lo cual propicia, entre otros, la existencia de variados y ricos ecosistemas. En la Figura 5 se muestran, a modo de ejemplo, los resultados obtenidos durante la simulación a largo plazo en punto de salida de la cuenca del río La Miel, sitio no aforado, en dónde se aprecia la variabilidad multianual del flujo y no se aprecian periodos largos de sequía ene 65 ene 67 ene 69 ene 71 ene 73 ene 75 ene 77 ene 79 ene 81 ene 83 ene 85 ene 87 ene 89 ene 91 ene 93 ene 95 ene 97 ene 99 ene 01 Caudales (m 3 /s) Figura 5. Resultados de la simulación a largo plazo a la salida de la cuenca del río La Miel. 5. Conclusiones Es factible aplicar satisfactoriamente la modelación hidrológica distribuida de tipo conceptual en la cuenca del río La Miel, lo que permite efectuar un análisis hidrológico detallado en el que se incluyó la variabilidad espacial de la información biofísica. Los resultados de la modelación constituyen un valioso elemento para la Ordenación del Recurso Hídrico. La información generada por el modelo de simulación hidrológica contribuye, entre otros, a determinar la distribución del recurso, a la ordenación del territorio, y a la gestión de los desastres asociados al agua. Una de las grandes ventajas de la modelación hidrológica distribuida es que permite simular el comportamiento hidrológico en cada una de las celdas de la cuenca (cerca de para la cuenca del río La Miel), por lo que se puede decir que este tipo de modelación es una buena herramienta en la planificación del recurso hídrico a diferentes escalas. Los resultados obtenidos de esta modelación constituyen un elemento de juicio en la toma de decisiones sobre el futuro del recurso agua en esta cuenca, así como de los demás recursos asociados a ella y por ende de las poblaciones asentadas en este territorio.

10 La información generada en esta investigación constituye la base para variados estudios hidrológicos de la cuenca hidrográfica del río La Miel, a los cuales se esperaría llegar en un futuro cercano como estudios de cambios de usos de suelo, cambio climático, zonificación hídrica, etc., con lo que se le daría continuidad a este ejercicio académico, en aras de contribuir en la gestión del recurso hídrico de la cuenca de estudio. 6. Bibliografía - ALLEY, William. On the treatment of Evaporation, Soil, Moisture Accounting, and Aquiter Recharge in Monthly Water Balance Models. Water Resources Research, Vol 20, N 8. p BEVEN, Keith. J. Rainfall Runoff Modelling. The primer. JOHN WILEY & SONS, LTD CHAPARRO Cifuentes, Liliana. Evaluación del recurso hídrico superficial con fines de Ordenamiento Ambiental Territorial Municipal. Tesis de la Especialización en Ingeniería Ambiental con énfasis en Sanitaria. Universidad Nacional de Colombia Sede Bogotá CORPOCALDAS. Mónica Dunoyer. Presentación sobre el proceso de ordenación de Cuencas Hidrográficas FRANCÉS, F., VÉLEZ, J. I. Y VÉLEZ, J. J. Split parameter structure for the automatic calibration of distributed hydrological models. Journal of hydrology. Vol. 332, N 1. p MONTOYA, J. FRANCÉS, L. PURICELLI, M. VÉLEZ, J. BROCCA, L. Semiautomatic soil parameter estimation for distributed hydrological model using GIS at cell scale. General Assembly European Geosciences Union EGU. Viena Austria POSADA, A. SALDARRIAGA, J. REBOLLEDO, F. Aportes de la Ingeniería a la regulación y sostenibilidad del recurso hídrico. En: Revista Ingenierías. Universidad de Medellín. N 6 Vol. 4. Enero Junio de PURICELLI, Marino M. Estimación y distribución de los parámetros del suelo para la modelación hidrológica. Tesis Doctoral. Universidad Politécnica de Valencia, Valencia, España, p TRIVINO, P. Alejandro y ORTÍZ R. Sergio. Metodología para la Modelación Distribuida de la escorrentía superficial y la delimitación de zonas inundables en ramblas y ríos rambla Mediterráneos. Universidad de Alicante. Instituto de Geografía. España. p VÉLEZ, Jaime I. Desarrollo de un Modelo Hidrológico Conceptual y Distribuido orientado a la simulación de las crecidas. Tesis Doctoral. Universidad Politécnica de Valencia, Valencia, España, p VÉLEZ, Jorge J. Desarrollo de un Modelo Distribuido de predicción en tiempo real para eventos de crecidas. Tesis Doctoral. Universidad Politécnica de Valencia, Valencia, España, p VALENCIA, M. Modelación Hidrológica Distribuida de tipo Conceptual como elemento para Ordenación y Manejo Ambiental de Cuencas Hidrográficas. Caso de estudio: Cuenca Hidrográfica del río La Miel. Departamento de Caldas - Colombia. Tesis de Maestría. Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales