Aplicación de la teoría del caos en los recursos hídricos Ingeniero Roberto Ivan Aguilar Ortíz. Resumen El presente artículo expone la teoría del caos, el concepto de caos en la investigación moderna y sus propiedades, así como conceptos relacionados a los sistemas caóticos; se abordan los problemas que se deben minimizar al hacer un análisis de series de datos en hidrología y la aplicación de la teoría del caos en la hidrología a lo largo de la historia y los avances que estos han representado. La teoría del caos, al tomar como base la no linealidad, la inestabilidad y la incertidumbre, es perfectamente aplicable a la hidrología, ya que el comportamiento de esta, a partir de los diferentes parámetros tanto ambientales como los referentes al recurso agua, no siguen un comportamiento lineal y por lo tanto los resultados son inesperados y aleatorios. Los sistemas caóticos están regidos por una serie de propiedades que servirán para establecer el comportamiento de las variables analizadas. Para obtener una serie de resultados satisfactorios se deben minimizar los problemas que presenten las series, siendo los más importantes: tiempo de retardo, cantidad de datos, influencia de los errores y presencia de ceros en las series. La aplicación de la teoría del caos en la hidrología inició con un sencillo análisis de datos de lluvia, clasificación de cuencas, estimación de datos faltantes, etc., hasta llegar a estudios más especializado, tales como: evaluación de los impactos del cambio climático global en los recursos hídricos, identificación y evaluación de conexiones entre sistemas hidrológicos y otros sistemas, estudio de las aguas transfronterizas, etc. Palabras clave: teoría del caos, caos, sistemas caóticos, hidrología, no linealidad, incertidumbre, comportamiento lineal, tiempo de retardo, lluvia, datos faltantes, cambio climático. Abstract This article presents the theory of chaos, the concept of chaos in modern research and its properties, as well as concepts related to chaotic systems, the problems that must be minimized when doing a data series analysis in hydrology and the application of chaos theory in hydrology throughout history and the advances that these have represented are addressed. Chaos theory, based on non-linearity, instability and uncertainty, is perfectly applicable to hydrology, since its behavior, based on the different environmental parameters as well as those referring to the water resource, do not follow linear behavior and therefore the results are unexpected and random. Chaotic systems are governed by a series of properties that will serve to establish the behavior of the variables analyzed. To obtain a series of satisfactory results, the problems presented by the series must be minimized, the most important being: delay time, quantity of data, influence of errors and presence of zeros in the series. The application of chaos theory in hydrology began with a simple analysis of rainfall data, basin classification, estimation of missing data, etc., until reaching more specialized studies, such as: evaluation of the impacts of global climate change in water resources, identification and evaluation of connections between hydrological systems and other systems, study of transboundary waters, etc. Keywords: chaos theory, chaos, chaotic systems, hydrology, non-linearity, uncertainty, linear behavior, lag time, rain, missing data, climate change. Introducción En la actualidad se presentan temas relacionados con los recursos hídricos cada vez más complejos y difíciles de entender. La aplicación de la teoría del caos a estos temas resulta ser de gran ayuda para establecer el comportamiento del ambiente ante factores que años atrás eran difíciles de explicar y aún más difícil establecer el impacto que generaban. Los recursos hídricos conforman un tema de interés en la aplicación de la teoría del caos, esto debido a la aleatoriedad en su comportamiento y la interacción que present a con gran número de variables ambientales. El presente pretende establecer un punto de partida en la investigación más a fondo de la teoría del caos y su aplicación en la hidrología. Teoría del Caos La dinámica no lineal es el estudio de la evolución de los sistemas no lineales. En los sistemas no lineales, la relación entre causa y efecto no es proporcional y determinada sino más bien vaga y difícil de discernir. Los sistemas no lineales se pueden caracterizar por períodos de interacciones lineales y no lineales entre variables. Esto significa que el comportamiento dinámico puede revelar una continuidad lineal en un período determinado, mientras que las relaciones entre las variables pueden cambiar, lo que resulta en cambios estructurales y dramáticos de comportamiento, durante otros períodos. El cambio dramático de un comportamient o cualitativo a otro se denomina bifurcación. En consecuencia, los sistemas no lineales son capaces de generar comportamientos muy complejos con el tiempo. Los estudios sobre sistemas no lineales evidencian tres tipos de comportamiento temporal: 1. 2. 3. Estable (un equilibrio matemático o un punto fijo). Oscilación entre puntos matemáticos de manera estable, fluida y periódica. Aparentemente aleatorio, desprovis t o de patrón (o comportamiento no periódico) donde domina la incertidumbre y la previsibilidad se rompe. Estos comportamientos pueden ocurrir de forma intermitente a lo largo de la vida de un sistema no lineal. Un régimen puede dominar para algunos períodos, mientras que otros regímenes dominan en otros momentos. Es el potencial de una variedad de comportamientos que representa la dinámica de sistemas no lineales. La teoría del caos revela que la no linealidad, la inestabilidad y el desorden y, por lo tanto, la incertidumbre y la imprevisibilidad no solo son de naturaleza generalizada, sino que también son esenciales para la evolución de complejidad en el universo. Con el enfoque de la teoría del caos en la no linealidad, la inestabilidad y la incertidumbre, era cuestión de tiempo la aplicación de esta teoría a la hidrología, ya que los sistemas hidrológicos son claramente no lineales. ¿Qué es el caos? La propiedad del "caos" se refiere a la existencia combinada de interdependencia no lineal, determinismo y orden, y dependenc ia sensible en los sistemas. Los sistemas caóticos suelen tener una estructura de aspecto aleatorio, sin embargo, su determinismo permite predicciones precisas a corto plazo, aunque las predicciones a largo plazo no son posibles. En el lenguaje común, la palabra "caos", típicamente significa un estado que carece de orden o previsibilidad; en otras palabras, el caos es sinónimo de "aleatoriedad". En la literatura científica moderna de sistemas dinámicos, el término "caos" se utiliza para referirse a situaciones en las que las situaciones complejas y los comportamientos de "apariencia aleatoria" surgen de sistemas deterministas simples con dependencia de las condiciones iniciales; por lo tanto, el caos y la aleatoriedad son conceptos diferentes. Esta última definición tiene implicaciones importantes para el modelado de sistemas y predicción: La aleatoriedad es irreproducible e impredecible. El caos es reproducible y predecible a corto plazo, debido al determinismo, pero irreproducible e impredecible solo a largo plazo, debido a la sensibilidad a las condiciones iniciales. Las tres propiedades fundamentales inherentes a la definición de caos, las cuales son muy relevantes en casi todos los sistemas reales y los procesos asociados, son: 1. 2. 3. Interdependencia no lineal Determinismo y orden ocultos Sensibilidad a las condiciones iniciales Tomando ejemplo: como base la hidrología, por a) Las interacciones no lineales son dominantes, en diversos grados, entre los componentes y mecanismos en el ciclo hidrológico. b) El determinismo y el orden prevalec en en la temperatura diaria y en el flujo anual de los ríos. c) El transporte de contaminantes en aguas superficiales y subterráneas es altamente sensible al momento, en función de la época del año (temporada lluviosa o seca), en el que los contaminantes fueron liberados. La primera propiedad representa la naturalez a "general" de los procesos del sistema, mientras que el segundo y el tercero representan su naturaleza "determinista" y "estocástica", respectivamente. Propiedades de los sistemas caóticos Sistemas dinámicos y análisis de estabilidad Cualquier sistema cuya evolución desde algún estado inicial esté dictada por un conjunto de reglas es llamado sistema dinámico. Cuando estas reglas son un conjunto de ecuaciones diferenciales, el sistema recibe el nombre de flujo porque su solución es continua en el tiempo. Cuando las reglas son un conjunto de ecuaciones en diferencias discretas, el sistema se denomina mapa o mapa iterado. Por otro lado, estimación de ciertas medidas adecuadas o invariantes del atractor, dimensión o entropía, proporciona información cuantitativa sobre el grado de complejidad de un sistema dinámico, por ejemplo: Estudios sobre atractores de series de tiempo, sintéticas y reales, revelan que tres regímenes de comportamiento comunes que surgen de ecuaciones diferenciales no lineales, crean atractores de formas únicas. 1. 2. 3. Atractores Es un objeto geométrico que caracteriza el comportamiento a largo plazo de un sistema. En esencia, un atractor funciona como una representación abstracta del flujo, o movimiento, de un sistema, al "almacenar" información sobre un comportamiento del sistema a lo largo del tiempo. Un atractor con una dimensión baja es generalmente un indicador de un sistema simple. Un atractor con una dimensión alta es generalmente un indicador de un sistema complejo. Un equilibrio estable genera un atractor puntual, en el que los datos son atraídos a un solo punto en el mapeo. Una oscilación periódica genera un mapeo circular, o ciclo límite, a medida que giran los datos de ida y vuelta entre puntos matemáticos consistentes. El atractor caótico está represent ado por una variedad de formas únicas que resultan en atractores extraños. Figura 1: tipo de Atractores. Se pueden utilizar para obtener información cualitativa y cuantitativa importante sobre la evolución del sistema. Una inspección visual del atractor, forma o estructura, proporciona información cualitativa útil sobre la naturalez a de un sistema dinámico, por ejemplo: Un atractor de forma perfecta y claramente estructurado es generalmente un indicador de un sistema determinista. Una forma imperfecta y el atractor con comportamiento disperso es generalmente un indicador de un sistema estocástico. Fuente: S.Bellie. Chaos in Hydrology. Mientras que el atractor puntual y el ciclo límite se observan en ciertos sistemas naturales y físicos, es el atractor extraño que es dominante en la mayoría de los sistemas. Investigaciones de varias series de tiempo hidrológicas sugieren que los atractores extraños son mucho más frecuentes en sistemas hidrológicos en comparación con el atractor puntual y el ciclo límite. comportamiento de un sistema para diferentes valores de un parámetro de control. Un atractor extraño es un atractor que exhibe una dependencia sensible de las condiciones iniciales, es decir, pequeños cambios en las condiciones iniciales pueden dar lugar a grandes efectos en los resultados finales y viceversa. La interacción en un sistema significa que no es posible separar las variables que lo gobiernan. La interacción entre las variables de un sistema da lugar esencialmente a su interdependencia. En sistemas lineales, la interacción entre variables es a menudo simple, lineal y unidireccional y, por tanto, a menudo hay dependencia de una variable de otra en una dirección. Figura 2: Atractor extraño Fuente: Atractores extraños, en línea. Bifurcaciones Es una transformación de un tipo de comportamiento a un comportamient o cualitativamente diferente. Un sistema puede tener más de un atractor, es decir, un solo sistema puede tener más de una diferent e forma de comportamiento. La bifurcación es una propiedad importante de los sistemas no lineales, ya que los cambios en la estructura y el comportamiento de tales sistemas son comunes. Los sistemas no lineales se caracterizan por períodos de interacciones lineales y no lineales, si bien el comportamiento del sistema puede revelar una continuidad lineal durante algunos períodos, las relaciones entre variables o parámetros, llamados parámetros de control, pueden cambiar durante otros períodos, lo que resulta en cambios estructurales y de comportamiento dramáticos. Los puntos o valores de los parámetros en los que se producen las bifurcaciones se denominan puntos de bifurcación. Un diagrama de bifurcación es esencialment e un gráfico bidimensional, el cual proporciona una descripción general de cómo varía el Interacción e interdependencia En sistemas no lineales este proceso es complicado. La interacción entre las variables ocurre de muchas maneras diferentes y en diferentes grados de no linealidad, por lo que las variables son interdependientes entre sí, es decir, cada variable depende de cualquier otra variable de forma directa o indirecta. El ciclo hidrológico es un excelente ejemplo de interacciones e interdependencias no lineales entre las variables, ya que cada component e del ciclo hidrológico está conectado con todos los demás componentes, ya sea directa o indirectamente. Sensibilidad a las condiciones iniciales La sensibilidad a las condiciones iniciales es una propiedad innata de los sistemas caóticos. Esta propiedad se refiere a la amplificación, o propagación, de cualquier pequeño cambio en las condiciones sobre la evolución de un sistema durante un período de tiempo. La implicación de esta propiedad es que la predicción del comportamiento de un sistema caótico a largo plazo es casi imposible. Espacio de estado y espacio de fase Cuando los valores de las variables reales que gobiernan el sistema se utilizan para mapear la evolución del sistema, entonces se llama espacio de estado. Sin embargo, hay muchas situaciones en las que los valores de las variables reales no están disponibles. En tales situaciones, las variables "proxy" se utilizan para mapear la evolución del sistema, esto se llama espacio de fase. Este tipo de representación a menudo se realiza utilizando valores de una sola variable disponible con un tiempo de retardo adecuado, que puede representar sistema. los cambios dinámicos del Fractal y Dimensión fractal Los fractales se refieren a un tipo particular de estructura creada por un proceso iterativo, autorreferencial. Los fractales son básicamente conjuntos definidos por los tres principios relacionados de relaciones de autosemejanza, invariancia de escala y las relaciones de la ley potencial. Cuando estos principios convergen, se forman patrones fractales. La dimensionalidad de una estructura fractal o atractor se llama dimensión fractal. La dimensión fractal es básicamente un parámetro invariante que caracteriza un conjunto fractal, y es un índice que define la complejidad como una proporción del cambio en detalles de patrones al cambio de escala. Problemas en las series de datos Tiempo de retardo Este tiempo de retardo está relacionado a lo mencionado al espacio de estado y espacio de fase, el cual se utiliza para el relleno de datos faltantes en una serie de tiempo. Un espacio de fase construido apropiadamente es crucial para una estimación confiable de invariant es para la identificación del caos y también para obtener predicciones confiables. Es necesario un tiempo de retardo apropiado para la reconstrucción del espacio de fase, porque solo un tiempo óptimo da la mejor separación de trayectorias vecinas dentro del espacio de fase, mientras que un tiempo erróneo puede dar lugar a resultados poco fiables, las cuales pueden resultar en subestimación o sobreestimación de invariantes. Tamaño de datos (tiempo) La estimación de la media de una serie de tiempo puede ser considerado confiable solo cuando el tamaño de los datos es razonablemente largo para representar el sistema subyacente, y la estimación se vuelve más confiable cuando el tamaño de los datos se más extenso. En muchas aplicaciones de ingeniería a recursos de agua, el mínimo espacio de tiempo de datos, generalmente es de 30 años (escala mensual). Sin embargo, en muchos estudios climáticos a gran escala, la longitud mínima de datos requerida es generalment e del orden de cientos de años (escala anual). El tamaño de los datos tiene cierta influencia en los resultados de los métodos de identificación y predicción del caos. Tomando como base una serie de estudios realizados, la pregunta crucial que uno debe hacerse con respecto al problema del tamaño de los datos en la estimación de la dimensión de correlación es si la serie de tiempo es lo suficientemente extensa para representar los cambios que sufre el sistema durante un período de tiempo. Influencia de errores en los datos Hay dos tipos de error: error de medición y error dinámico. El error de medición se refiere a la corrupción de las observaciones por errores, que son externos e independiente de la dinámica, y puede ser causada, por ejemplo, por el dispositivo de medición. El error dinámico, en contraste con el error de medición, es un proceso de retroalimentación en el que el sistema es perturbado por una pequeña cantidad aleatoria en cada intervalo de tiempo. El error dinámico influye directamente en la evolución del sistema en el tiempo. La presencia de error puede afectar los resultados de la identificación del caos y métodos de predicción, y los efectos del error de medición y el error dinámico también puede ser diferente. Influencia de presencia de ceros en las series Una posible influencia de la presencia de un gran número de ceros, o cualquier otro valor único, es que la hipersuperficie reconstruida en el espacio de fase tenderá a un punto y puede resultar en una subestimación de la dimensión de correlación. Otros problemas Se han identificado otras cuestiones metodológicas y de datos que influencian en los resultados de los métodos de identificación y predicción del caos. Entre estos están: Frecuencia de muestreo Correlación temporal Escala de datos Posible incapacidad de los métodos para distinguir claramente entre sistemas estocásticos y caóticos Aplicaciones de la teoría del caos en hidrología La teoría del caos en hidrología inició con la identificación básica del caos en los datos de lluvia y posteriormente exploró una amplia gama de problemas en diferentes tipos de datos hidrológicos. Los problemas estudiados incluyen: Identificación y predicción del caos Escalado y desagregación Estimación de datos faltantes Clasificación de cuencas, entre otros. Los datos estudiados incluyen: Precipitaciones Caudal de ríos Precipitaciones-escorrentías Volumen y nivel de lagos Transporte de sedimentos Aguas subterráneas, entre otros. A principios de la década de 1980, se inició con el desarrollo de métodos de identificación del caos, lo cual condujo a las aplicaciones iniciales de dichos enfoques en hidrología, en la última parte de esa década; así como mejoras posteriores en estos métodos, y el desarrollo de otros para la detección y predicción de la no linealidad y el caos. Los conceptos e ideas obtenidos de la teoría del caos en la década anterior, han encontrado numerosas aplicaciones en hidrología desde la década de 1990. El primer estudio sobre la aplicación de la teoría del caos en un contexto hidrológico fue probablemente el realizado por Hense (1987), sobre series cronológicas de precipitaciones. Algunos de estos estudios y varios otros que siguieron en los últimos años de esa década también abordaron, además de la identificación / predicción del caos, importantes cuestiones metodológicas y de datos, como el requisito de tamaño mínimo de datos para la estimación de la dimensión de correlación, efectos de los datos erróneos en la identificación y predicción del caos, así como la determinación y reducción del nivel de error. A principios de este siglo, Sivakumar (2000) publicó la primera revisión de las aplicaciones de la teoría del caos en hidrología. Inicialmente los estudios del caos en hidrología sufrieron continuas críticas, debido a limitaciones de métodos y datos, así como al escepticismo sobre los resultados informados, fue por esto que se realizó la revisión que hizo especial hincapié en abordar las cuestiones importantes en las aplicaciones de la teoría del caos en hidrología y también en la interpretación de los resultados informados. La naturaleza integral y equilibrada de la revisión ayudó significativamente a disipar muchos de los temores, críticas y recelos anteriores sobre los estudios del caos en hidrología y sus resultados, y cambió por completo el curso de la teoría del caos en hidrología para siempre. El estudio de Sivakumar (2000-2006) condujo, directa o indirectamente, a avances rápidos en los años que siguieron, tanto en teoría como en aplicación. Durante ese período, la teoría del caos también se aplicó a otros procesos hidrológicos y problemas asociados. Los procesos incluyen: hidrológicos estudiados Escorrentía por precipitación Transporte de sedimentos Ciclos de nutrientes del suelo Flujo subterráneo Transporte de solutos Contaminación por arsénico en las aguas subterráneas. Los problemas incluyen: hidrológicos estudiados Escalado y agregación / desagregación de datos Desarrollo de un nuevo enfoque caótico para la desagregación de datos hidrológicos Estimación de datos faltantes Reconstrucción de ecuaciones del sistema Hidrología regional y regímenes de flujo de ríos Integración de modelos. Además, varios estudios abordaron los problemas del tamaño de los datos, los errores, los ceros, la selección de parámetros óptimos y otros. Algunos estudios también compararon las predicciones hidrológicas en otras técnicas, como los métodos estocásticos y las redes neuronales artificiales. Tomando en cuenta los fundamentos de la teoría del caos en Hidrología (interdependencia no lineal, determinismo y orden, y sensibilidad a las condiciones iniciales), Sivakumar (2004) argumentó que la teoría del caos no debería verse como una teoría separada, sino más bien como una teoría que conecta las dos teorías dominantes existentes: determinista y estocástica. Con esta teoría del Caos, los estudios se convirtieron en parte de la hidrología "corriente". Tabla 1: Métodos de análisis – teoría del caos en Hidrología Métodos “Teoría del Caos en Hidrología”, ejemplos de 1980-1998 Fase de reconstrucción del espacio Método de dimensión de correlación Método de entropía de Kolmogorov Método del exponente de Lyapunov Método de predicción de aproximación local no lineal Algoritmo del falso vecino más cercano Métodos de determinación y reducción del nivel de error Método de datos sustitutos Trama de rendimientos cercanos Método de redundancia Interpolación no lineal Técnica de análisis multivariable Fuente: elaboración propia. Tabla 2: Estudios de aplicación – teoría del caos en Hidrología Estudios del caos en hidrología, ejemplos de 1897-2013 Precipitación mensual en la isla de Nauru Intensidad de lluvia de 15 segundos en Boston (3 estaciones) y lluvia semanal en Génova Intensidad de lluvia de 10 segundos desde el modelo de nubes Tiempo entre mediciones sucesivas del pluviómetro, cada una correspondiente a 0,01 mm de lluvia Lluvias diarias en Hong Kong (3 estaciones) Precipitación mensual en Lund, Suecia Tormentas en Iowa (11 tormentas) 15 minutos de lluvia en Grecia Precipitación diaria en Singapur (6 estaciones) Precipitación mensual en el río Göta, Suecia Precipitación mensual en Coaracy. Cuenca del río Nunes / río Araguari Precipitación mensual en Seúl Precipitaciones mensuales en Australia Occidental (62 estaciones) Precipitación diaria en el embalse de Koyna, India (promedio de nueve estaciones) Fuente: elaboración propia. Con avances significativos en la aplicación de la teoría del caos y conceptos relacionados en hidrología durante más de dos décadas, ha habido una creciente comprensión de las oportunidades y posibilidades de estudiar problemas a gran escala, ya que actualment e nos enfrentamos a algunos problemas a escala global tremendamente desafiantes en hidrología y recursos hídricos, que incluyen: Evaluación de los impactos del cambio climático global en los recursos hídricos para diseñar estrategias apropiadas de adaptación y mitigación. Desarrollo de un marco genérico de clasificación de cuencas hidrográfic as para la elaboración de modelos y pronósticos hidrológicos más eficaces y eficientes. Identificación y evaluación de conexiones entre sistemas hidrológicos y otros sistemas, incluidos los sistemas ecológico, humano y económico. Estudio de las aguas transfronteriz as (cuencas fluviales y acuíferos) para mejorar la planificación y gestión de dichas aguas y eliminar / aliviar la crisis y los conflictos relacionados con el agua. En los últimos años, se han realizado algunos intentos preliminares, aunque importantes, para abordar al menos dos de estos problemas hidrológicos a escala global utilizando ideas de teoría del caos. Si bien la aplicación de la teoría del caos para estudiar estos desafíos hidrológicos globales ha estado ganando impulso, otros estudios del caos en hidrología también han ido creciendo, incluidos los estudios sobre: Transporte de sedimentos Contaminación por arsénico en las aguas subterráneas Predicción de conjuntos de series de tiempo hidrológicas caóticas Etapa del río y descarga Actualmente la teoría del caos está ganando fuerza al abordar problemas más amplios y de escala global en hidrología, incluyendo estudios sobre el marco de clasificación de cuencas y resultados del modelo climático. Conclusiones La teoría del caos es fundamental en el estudio de la Hidrología y en el desarrollo de la misma, ya que permite explicar fenómenos que hasta hace un tiempo eran difíciles de comprender e interpretar. El estudio de las series de tiempo es de suma importancia, ya que el comportamiento lineal y caótico cambia en función de este. Para el análisis de series de datos mediante la aplicación de la teoría del caos, es esencial tener a disposición la mayor cantidad y calidad de datos que se sean posibles; tratando que estas series interpreten el comportamiento y las variaciones del sistema en un espacio de tiempo determinado. Bibliografía Sivakumar, B. 2017. Chaos in Hydrology . Bridgind Determinism and Stochasticity. School of Civil and Environmental Engineering The University of New South Wales, Sydney, NSW Australia. Vafakhah, M. Chaos theory in hydrology: important issues and interpretations. En: Proceedings of The Fourth International Iran & Russia Conference. Watershed management Department, Natural Resources and Marin Sciences Faculty, Tarbiat Modarres University, Noor, Iran