Modeling annual discharge of six Mexico's northern rivers Translated title: Modelagem da vazão anual de seis rios do norte do México

Abstract

The overall goal of this report was to understand river discharge variability to improve conventional water management practices of Mexico's northern subtropical rivers. This report addresses whether: a) river discharge tendencies, patterns and cycles can be detected with proxy and instrumental records; and b) annual discharge can be forecasted by stochastic models. Eleven gauging stations of six major rivers; three lowland rivers discharging into the Pacific Ocean (Rios Santa Cruz, Acaponeta, and San Pedro); five upland rivers draining into the Pacific Ocean (Rio San Pedro: Peña del Aguila, Refugio Salcido, San Felipe, Vicente Guerrero and Saltito), one river flowing across the interior Basin (Rio Nazas: Salomé Acosta) and two more rivers discharging into the Northern Gulf of Mexico (Rio San Juan: El Cuchillo and Rio Ramos: Pablillos) were statistically analyzed. Instrumental recorded daily discharge data (1940-1999) and reconstructed time series data (1860-1940) using dendrochronological analysis delivered annual discharge data to be modeled using autoregressive integrated moving average, ARIMA models. Spectral density analysis, autocorrelation functions and the standardized annual discharge data evaluated annual discharge frequency cycles. Results showed ARIMA models with two autoregressive and one moving average coefficient adequately project river discharge for all gauging stations with four of them showing significant declining patterns since 1860. ARIMA models in combination with autocorrelation and spectral density techniques as well as standardized departures, in agreement with present (2002-2010) observations, forecast a wet episode that may last between 9 and 12 years thereafter entering again into a dry episode. Three dry-wet spell cycles with different time scales (1-2 years; 4-7 years; 9-12 years) could be discerned from these analyses that are consistent for all three northern Mexico's river clusters that emerged from a multivariate analysis test.

Translated abstract

O objetivo geral deste trabalho foi a modelagem da variabilidade da vazão de rios para melhorar a gestão convencional das águas dos rios subtropicais do norte do México. Este artigo abordou as seguintes hipóteses: a) tendências das vazões do rio, padrões e ciclos podem ser detectados com base em registros de dados simulados e de instrumentos, e b) vazão anual pode ser prevista por modelos estocásticos. Onze estações hidrométricas de seis grandes rios; três rios de planície que drenam diretamente para o Oceano Pacífico (Rios Santa Cruz, Acaponeta, e San Pedro), cinco localizados nos trechos superiores desses rios (Rio San Pedro: Peña del Aguila, Refugio Salcido, San Felipe, Vicente Guerrero e Saltito) que drenam para bacia interior (Río Nazas: Salomé Acosta) e os dois últimos que drenam para o norte do Golfo México (Rio San Juan: El Cuchillo e Rio Ramos: Pablillos) foram analisadas estatisticamente. Dados armazenados de vazões diárias observadas (1940-1999) e dados reconstituídos a partir de série dendrocronológica histórica (1860-1940) resultou em dados de vazão anual a serem modelados usando médias móveis auto-regressivas integradas (modelos ARIMA). A análise de densidade espectral, funções de autocorrelação e os dados padronizados de vazão anual permitiram a avaliação dos ciclos de frequência anual de vazão. Os resultados mostraram que os modelos ARIMA com dois coeficientes e média móvel autorregressiva foram adequados para modelar a descarga do rio para todas as estações, em que quatro deles apresentaram tendências significativas de redução da vazão a partir de 1860. Modelos ARIMA em combinação com técnicas de autocorrelação e densidade espectral, bem como observações dos dados de vazão atuais (2002-2010), indicam que o norte do México está em um ciclo de cheias que pode durar de 9 a 12 anos antes de passar novamente por um período de seca. As estatísticas utilizadas mostraram a presença de três ciclos (anos 1-2, 4-6 e 9-12) consistentes para os três grupos de estações que surgiram a partir da análise multivariada.