SciELO - Scientific Electronic Library Online

 
vol.12 número4Análisis hidráulico de un vertedor compuesto (triangular-rectangular) mediante dinámica de fluidos computacional (CFD)Huella de cambio climático global en un ecosistema desértico de México: aumento de frecuencia de eventos climáticos extremos índice de autoresíndice de materiabúsqueda de artículos
Home Pagelista alfabética de revistas  

Servicios Personalizados

Revista

Articulo

Indicadores

Links relacionados

  • No hay artículos similaresSimilares en SciELO

Compartir


Tecnología y ciencias del agua

versión On-line ISSN 2007-2422

Tecnol. cienc. agua vol.12 no.4 Jiutepec jul./ago. 2021  Epub 26-Jun-2025

https://doi.org/10.24850/j-tyca-2021-04-04 

Artículos

Análisis de frecuencias de crecientes con la distribución GVE para r eventos anuales

Daniel Francisco Campos-Aranda1 

1Profesor jubilado de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí, México, campos_aranda@hotmail.com


Resumen

Las crecientes son los gastos máximos anuales de un río y su análisis de frecuencias son técnicas estadísticas que permiten estimar valores asociados con bajas probabilidades de ser excedidos. Tales predicciones permiten el diseño y la revisión hidrológica de las obras hidráulicas. La etapa fundamental del análisis de frecuencias consiste en seleccionar y ajustar, a los datos o muestra disponible, una función de distribución de probabilidades para realizar las predicciones. La distribución general de valores extremos (GVE) tiene bases teóricas que la convierten en un modelo probabilístico adecuado a crecientes, niveles máximos del mar, velocidades extremas de viento, etcétera. Debido a su génesis, la GVE procesa un dato por año, el máximo. Esta desventaja fue superada con el método de los r eventos máximos anuales. Tal procedimiento se describe y aplica al ajuste de la función GVE, a través del método de máxima verosimilitud, utilizando al algoritmo Complex de múltiples variables restringidas, para la maximización numérica. Se integraron cinco registros de crecientes con cinco eventos por año, en estaciones hidrométricas de la Región Hidrológica No. 10 (Sinaloa), México. Además, se procesaron dos registros de niveles máximos del mar con r = 5, tomados de la literatura especializada; uno de ellos es no estacionario al presentar tendencia. Se analizaron los resultados y se contrastaron las predicciones del ajuste de la GVE con r eventos anuales contra las de los métodos clásicos de momentos L y LH. Por último, se formulan las conclusiones, las cuales destacan la conveniencia del método descrito y señalan las ventajas del uso del algoritmo Complex como técnica numérica; debido a lo anterior, se recomienda la aplicación sistemática del procedimiento descrito.

Palabras clave: distribución GVE; método de máxima verosimilitud; algoritmo Complex; variables de decisión y dependientes; test de Wald-Wolfowitz; error estándar de ajuste; covariables; predicciones

Abstract

Floods are the maximum annual flows of a river and their frequency analysis are statistical techniques that allow estimating values associated with low probabilities of being exceeded. Such Predictions allow the hydrological design and review of hydraulic works. The fundamental stage of frequency analysis is the selection and fit, to the available data or sample, of a probability distribution function to make predictions. The Generalized Extreme Value (GEV) distribution has theoretical bases that make it a probabilistic model suitable for floods, maximum sea levels, extreme wind speeds, etc. Due to its genesis, the GEV processes one data per year, the maximum. This disadvantage has been overcome with the method of the r annual maximum events. Such procedure is described and applied to the adjustment of the GEV function, through the maximum likelihood method, using the Complex algorithm of multiple restricted variables, for numerical maximization. Five records of floods with five events per year were integrated from hydrometric stations of the Hydrological Region No. 10 (Sinaloa), Mexico. Also, two records of maximum sea levels with r = 5 were processed, taken from specialized literature, one of them is non- stationary since it shows a trend. Results were analyzed and the predictions of the GEV adjustment with r annual events, were compared against those of the classical L- and LH-moment methods. Finally, Conclusions are formulated, which highlight the convenience of the described method and point out the advantages of using the Complex algorithm as a numerical technique; due to the above, the systematic application of the described procedure is recommended.

Keywords: GEV distribution; maximum likelihood method; Complex algorithm; decision and dependent variables; Wald-Wolfowitz test; standard error of fit; covariates; predictions

Introducción

En términos simples, el análisis de frecuencias es una técnica estadística que permite ajustar un modelo probabilístico o función de distribución de probabilidades (FDP) a una muestra de n datos. Su propósito se centra en realizar predicciones, más allá del intervalo de los datos empleados para estimar los parámetros de ajuste de la FDP seleccionada. Por lo general, las predicciones buscadas son mayores al más grande de los eventos observados y, por ello, el análisis de frecuencias consiste en el estudio de los eventos pasados con la finalidad de establecer probabilidades para ocurrencias futuras. Por ejemplo, se estudian los gastos máximos anuales de un río para obtener las crecientes de diseño, que son gastos máximos asociados con bajas probabilidades de ser excedidos. En resumen, los métodos del análisis de frecuencias no predicen el futuro con certeza, pero generan modelos probabilísticos que explican y hacen uso eficiente de los eventos extremos ocurridos en el pasado (Khaliq, Ouarda, Ondo, Gachon, & Bobée, 2006).

El análisis de frecuencias consta de cuatro pasos: (1) verificación de la calidad estadística de los datos o muestra disponible. En realidad, la validez y exactitud de las predicciones requieren que los datos sean independientes y muestren estacionariedad, lo cual implica que hayan sido generados por un proceso aleatorio estable en el tiempo; (2) selección de una FDP; (3) selección de un método de estimación de los parámetros de ajuste de la FDP, y (4) adopción de los resultados o predicciones. Comúnmente, se aplica el error estándar de ajuste, que es una medida cuantitativa entre datos observados y estimados con la FDP ajustada (Rao & Hamed, 2000; Stedinger, 2017).

En relación con el tópico de la selección de una FDP, la teoría de valores extremos es una disciplina estadística que desarrolla modelos que describen lo inusual de los datos. Siendo los valores extremos escasos por naturaleza, sus predicciones implican fuertes extrapolaciones y la teoría de valores extremos proporciona modelos que las permiten con base en un fundamento asintótico (Coles, 2001).

La distribución general de valores extremos (GVE) tiene una base teórica que la vuelve imprescindible en el análisis de frecuencias de eventos extremos, como crecientes de un río, niveles máximos del mar, velocidades extremas de viento, etcétera (Guedes Soares, & Scotto, 2004; Khaliq et al., 2006; An & Pandey, 2007). Sin embargo, implícita en su propia formulación de máximo de un lapso o bloque, que se expone posteriormente, la distribución GVE emplea un solo valor extremo por año y por ello han surgido dos enfoques que buscan incorporar más eventos de cada año (Coles, 2001; Khaliq et al., 2006). El primero se denomina de excedencias arriba de un umbral o análisis POT (peaks over threshold); utiliza todos los eventos que exceden a un valor umbral, por ejemplo, el valor más bajo de los máximos anuales observados. Lógicamente, habrá que cumplir con la condición de independencia entre los eventos seleccionados. El segundo enfoque de uso de más datos se conoce como modelo de r estadísticas de orden más grandes (r largest order statistics) y consiste en incluir más información de eventos máximos en cada año o bloque que cumplan con la condición de independencia entre ellos. Para cumplir lo anterior, en la práctica se ha encontrado que r ≤ 5 (Ramesh & Davison, 2002). La ventaja fundamental de ambos enfoques consiste en utilizar otros valores máximos de la muestra, en el extremo derecho de la función GVE, para estimar predicciones más precisas o robustas, ya que se tienen más datos para cuantificar sus parámetros de ajuste (Tawn, 1988; Coles, 2001; Khaliq et al., 2006).

Los objetivos de este estudio se centran en los cuatro siguientes: (1) exponer la teoría en que se basa la aplicación de la distribución GVE, con r eventos máximos anuales independientes; (2) describir el método de máxima verosimilitud para estimar los tres parámetros de ajuste (µ, σ, κ) de la distribución GVE; (3) integrar cinco registros de crecientes con r = 5, dentro de la Región Hidrológica No. 10 (Sinaloa), México, para realizar un contraste de predicciones de la distribución GVE, entre las obtenidas con el método de r eventos anuales y las de los métodos de sextiles, momentos L y momentos LH, estos contrastes se realizan con base en el error estándar de ajuste, y (4) procesar con el método de los r eventos anuales el registro de niveles máximos del mar en Venecia, Italia, que es no estacionario, pues presenta tendencia lineal ascendente.

Teoría operativa

La distribución GVE

En el análisis de frecuencias de datos hidrológicos extremos, como crecientes o gastos anuales, niveles del mar, velocidades de viento y lluvias máximas, las distribuciones de valores extremos tienen un papel preponderante. Su origen se establece a partir de una muestra de variables aleatorias (X1, X2,..., Xn ), independientes e idénticamente distribuidas (iid), que tienen una función de distribución de probabilidades F(x). En la práctica, Xi son valores del proceso observado que se mide cada hora como los niveles del mar o diariamente como los gastos de un río.

El estadístico definido en la Ecuación (1) es el máximo del proceso durante n unidades de tiempo de observación (block máxima) y en su comportamiento probabilístico se centra el desarrollo de la teoría de valores extremos:

Mn=máxX1,  X2, . . . , Xn (1)

La distribución de probabilidades acumuladas Mn está definida por la condición iid y es (Smith, 1986; Tawn, 1988; Dupuis, 1997; Coles, 2001; An & Pandey, 2007):

PMnx=PX1x, .. . . , Xnx ;PMnx=PX1xPXnx ; PMnx=F(x)n

Para obtener el comportamiento de la Ecuación (2) conforme n tienda a infinito y se eviten soluciones triviales o degenerativas, se hace una normalización lineal de la variable Mn , con base en las constantes an > 0 y bn , la cual es:

Mn*=Mn-bnan (3)

Ahora la distribución de los extremos converge a un resultado no trivial, definido así:

PMn*x=F(anx+bnnGx cuando n (4)

La distribución asintótica G(x) debe converger en alguna de las tres familias llamadas Gumbel, Fréchet y Weibull. Estas tres distribuciones se incluyen en la general de valores extremos (GVE), cuya expresión es:

Gx=exp-1+κx-μσ-1/κ (5)

en la cual, µ, σ y κ son los parámetros de ubicación, escala y forma; con -∞ < µ < ∞, σ > 0 y -∞ < κ < ∞. Además, está definida por el conjunto {x: [1 + κ(x-µ)/σ]>0}. Si κ>0, la GVE tiene tipo II o Fréchet, sin límite superior (µ - σ / κ < x < ∞). Cuando κ<0, se define la tipo III o Weibull, con límite superior (∞ < x < µ - σ / κ). Finalmente, cuando κ=0, se llega, en un sentido asintótico, a la distribución tipo I o de Gumbel (-∞ < x < ∞), también denominada doble exponencial, cuya ecuación es:

Gx=exp-exp-x-μσ (6)

Seleccionado los máximos (Ecuación (1)) en cada año, las predicciones buscadas (XTr ) para una probabilidad de excedencia q o un periodo de retorno Tr en años (Tr = 1/q), se obtienen con base en la Ecuación (5), ya que G(x) = 1 - q (Coles, 2001):

XTr= μ-σκ1--ln1-q-κ para κ0 (7)

XTr=μ-σln-ln1-q para κ=0 (8)

Conviene aclarar que en el siglo pasado la ecuación de la distribución GVE (Smith, 1986; Tawn, 1988; Dupuis, 1997; Hosking & Wallis, 1997; Rao & Hamed, 2000) era:

Gx=exp-1-κx-μσ1/κ (9)

para la cual, el modelo Fréchet se obtiene con κ<0. Este cambio de κ por -κ en la Ecuación (9) ha sido iniciado, lógicamente por Coles (2001), y aceptado por Ramesh y Davison (2002), Katz, Parlange y Naveau (2002), y por Khaliq et al. (2006). Tiene una leve conveniencia de signos al manejar la función de verosimilitud y sus restricciones de positividad en las ecuaciones (13) a (15) siguientes, y por ello se conserva en este estudio.

Método de máxima verosimilitud

De acuerdo con textos consultados (Kite, 1977; Rao & Hamed, 2000; Coles, 2001; Kottegoda & Rosso, 2008; Meylan, Favre, & Musy, 2012) el principio de máxima verosimilitud se explica con diferentes niveles de detalle. Pero, en general, implica lo siguiente: dada una muestra (X1, X2,..., Xn ) de observaciones iid, que siguen una distribución Fθ con parámetros de ajuste θ1, θ2,..., θq . Entonces, por definición, la probabilidad de obtener un valor Xi será:

PxiXxi+dxi=fθ(xi)dxi (10)

siendo fθ (xi ) la función de densidad de probabilidad. Como los datos son iid, la probabilidad de obtener n valores Xi será la probabilidad conjunta o función de verosimilitud, designada L del inglés likelihood y expresada como:

Lθ=fθx1fθx2fθxn=i=1nfθ(xi) (11)

El método de máxima verosimilitud consiste en encontrar un vector θ^ de parámetros que hagan máxima a L(θ) y por lo tanto a la probabilidad de obtener la muestra (X1, X2,..., Xn ). Con frecuencia, resulta más conveniente tomar logaritmos y trabajar con la función logarítmica de verosimilitud (Coles, 2001), es decir:

lθ=logLθ= i=1nlogfθ(xi) (12)

lo anterior es aceptable debido a que la función logarítmica es monotónica y entonces la función l(θ) alcanza su máximo en el mismo punto que la función L(θ).

Función l(θ) de la distribución GVE

La función de densidad de probabilidad de la distribución GVE es la siguiente (Coles, 2001; Ramesh & Davison, 2002):

fx;μ,σ,κ=1σ1+κx-μσ+-1-1/κexp-1+κx-μσ+-1/κ (13)

donde σ > 0, -∞ < µ, κ < ∞ y el intervalo de x es tal que [1 + κ(x - µ) / σ] > 0, lo cual se indica con el signo + afuera de los paréntesis rectangulares. Cualquier combinación de parámetros de ajuste que viola la condición anterior de positividad implica que al menos uno de los puntos observados (x) está más allá de los puntos finales de la distribución, y entonces la función de verosimilitud es cero y la función logarítmica de verosimilitud es igual a -∞ (Coles, 2001). Si se tiene una muestra de máximos anuales X1, X2,..., Xn , que son independientes, la función logarítmica de verosimilitud es:

lμ,σ,κ=-nln σ-1+1κi=1nln1+κxi-μσ+-i=1n1+κxi-μσ+-1κ (14)

Función l(θ) de la GVE para r eventos anuales

Cuando se incluyen otros valores máximos anuales en el ajuste de la distribución GVE para buscar una inferencia de predicciones más precisa, entonces en cada año se tienen r eventos definidos como: x1x2, . . . ,xr, y la función de densidad de probabilidad conjunta permite definir la función logarítmica de verosimilitud para n años de r valores anuales máximos independientes cada uno (Coles, 2001; Ramesh & Davison, 2002), que es: lμ,σ,κ=-nrlnσ-1+1κi=1nj=1rln1+κxij-μσ+ 

-i=1n1+κxir-μσ+-1/κ (15)

Las restricciones definidas en la Ecuación (13) para los parámetros de ajuste se aplican a la expresión anterior y además 1+κxj-μ/σ debe ser positivo para cada j = 1,.., r. La Ecuación (14) es un caso especial de la Ecuación (15), que se obtiene cuando r = 1. Tawn (1988) presenta una ecuación similar a la (15), que considera variable cada año el número de eventos r.

Función l(θ) de la GVE para series no estacionarias

Los procesos no estacionarios tienen características que cambian sistemáticamente a través del tiempo. En los procesos climatológicos e hidrológicos, la no estacionariedad se observa por épocas debido a los efectos de los patrones climáticos diferentes en varios meses. También está presente como tendencia, originada principalmente por el cambio climático regional o global (Coles, 2001).

No existe una teoría general de valores extremos para los procesos no estacionarios y, por ello, se sigue un enfoque pragmático consistente en utilizar la distribución GVE ajustada por máxima verosimilitud, cambiando con el tiempo, o con alguna otra covariable y sus parámetros de ajuste (Katz et al., 2002). Para el caso específico de una tendencia lineal, se hace variar el parámetro de ubicación con el tiempo (Coles, 2001):

μt=β0+β1t (16)

La expresión anterior se sustituye en la Ecuación (15) para maximizar tal función y obtener los cuatro parámetros de ajuste ((β0,β1,σ,κ). Otros modelos basados en la GVE para series no estacionarias con el enfoque de covariables las describe Coles (2001) en su capítulo 6.

El algoritmo Complex

La maximización de la Ecuación (15) para obtener los parámetros óptimos de ajuste (µ, σ, κ) de la GVE buscada debe ser abordada de manera numérica, y para ello se seleccionó el algoritmo Complex de múltiples variables (z) restringidas o acotadas. Su planteamiento teórico es el siguiente (Box, 1965):

Minimizar F z1,z2,,zs (17)

Sujeta a m variables dependientes (y), función de las variables de decisión (z):

y1=Fz1,z2,,zs                          ym=F(z1,z2,,zs) (18)

Ambas variables tienen límites inferiores y superiores del tipo , es decir, zinfzizsup y yinfyiysup. El algoritmo Complex es una técnica de exploración local, que se guía exclusivamente por lo que encuentra a su paso; sus antecedentes, una descripción breve de su proceso operativo y su código OPTIM se pueden consultar en Campos-Aranda (2003). En Bunday (1985) se tiene otra descripción y código de este método de búsqueda.

Las designaciones principales en el código OPTIM son NX y NY, que definen el número de variables de decisión y dependientes; para el caso analizado tres (µ, σ, κ) y n (número de años del registro), debido a que las variables dependientes son restricciones de positividad, con j = 1,..., r valores por año 1+κxj-μ/σ. MI = 500 es el número máximo de evaluaciones de la función objetivo y NQ = 25 el número de tales cálculos entre impresión de resultados. Estas variables se accesan en la subrutina de lectura de datos.

Una ventaja importante del código OPTIM radica en permitir un fácil acceso de los límites (L = lower, U = upper), nombres y valores iniciales de las variables, en la subrutina citada, por medio de las designaciones siguientes: XL(I), XU(I), XN$(I), X(I), YL(J),YU(J),YN$(J) y Y(J). Para el caso estudiado, I varía de 1 a 3, y J de 1 a n (número de años del registro). Después, se incluyen los criterios de convergencia FA y FR para las deviaciones absoluta y relativa de la F. Se utilizaron los valores siguientes: 0.0002 y 0.00001, respectivamente.

La función objetivo se denomina F en el código OPTIM y se accesa al final del programa; corresponde lógicamente a la Ecuación (15), con nombre FO$=”FLMV” de función logarítmica de máxima verosimilitud. Se asigna con signo negativo a F debido a que el algoritmo Complex minimiza a la función (Ecuación (17)) y se desea maximizar a la FLMV.

Por último, se aclara que por la naturaleza del problema numérico planteado, se tiene otra variable, que es NR = 1,..., 5, la cual equivale a cada muestra anual de niveles o gastos. La captura de datos se hace con dos ciclos anidados: uno para i, variando de 1 a n o número de años del registro procesados; y el otro para j, que va de 1 a 5, es decir, r de la Ecuación (15).

Test de Wald-Wolfowitz

Esta prueba no paramétrica ha sido utilizada por Bobée y Ashkar (1991), Rao y Hamed (2000), y Meylan, Favre y Musy (2012) para probar independencia y estacionariedad en registros de gastos máximos anuales (xi ). Para el caso estudiado, se propuso aplicar la prueba al registro de gastos máximos anuales (r = 1), que debe ser una muestra de valores aleatorios. Wald y Wolfowitz, basándose en el trabajo de Anderson sobre el coeficiente de correlación serial, desarrollaron tal prueba, cuyo estadístico es:

R=i=1n-1xi xi+1+xnx1 (19)

Cuando el tamaño (n) de la serie o muestra (xi ) no es pequeño y sus datos son independientes, R procede de una distribución normal con media y varianza, dadas por las expresiones siguientes:

ER=R-=S12-S2n-1 (20)

VarR=S22-S4n-1+S14-4S12S2+4S1S3+S22-2S4(n-1)(n-2)-R-2 (21)

en las cuales:

Sk=i=1nxik (22)

Finalmente, se calcula U, con la ecuación:

U=R-R-Var[R] (23)

El valor de U sigue una distribución normal con media cero y varianza unitaria, y se puede usar para probar la independencia de los datos de la serie con un nivel de significancia α, por lo común del 5 %. En una prueba de dos colas, la variable normal estandarizada es Zα/2 1.96; entonces, cuando U<1.96 la serie estará integrada por valores independientes (muestra aleatoria).

Error estándar de ajuste

Es el indicador más común (Chai & Draxler, 2014) para el contraste de una distribución de probabilidades a datos reales; se estableció a mediados de la década de 1970 (Kite, 1977) y se ha aplicado en México haciendo uso de la fórmula empírica de Weibull (Benson, 1962). Ahora se aplicará utilizando la fórmula de Cunnane (Ecuación (25)), que de acuerdo con Stedinger (2017) conduce a probabilidades de no excedencia (p) aproximadamente insesgadas con las distribuciones utilizadas en hidrología. La expresión del error estándar de ajuste (EEA) es:

EEA=i=1nXi-X^i2n-np1/2 (24)

Xi son los niveles y gastos máximos anuales (r = 1) ordenados de menor a mayor, cuyo número es n y X^i los gastos máximos estimados con la Ecuación (7) y la probabilidad evaluada con la Ecuación (25); np = 3 es el número de parámetros de ajuste de la GVE:

p=i-0.40n+0.20 (25)

Búsqueda de la solución óptima y robusta

Conforme se avanza de r = 1 a r = 5, al aplicar la Ecuación (15) y buscar su máximo con el algoritmo Complex, se van procesando cada vez más datos, primero n y por último 5n. Esto modifica los valores óptimos de los parámetros de ajuste (µ, σ, κ) y también hace cambiar al EEA, que se calcula exclusivamente con la serie anual de niveles o gastos máximos anuales (r = 1).

Lo anterior, para poder establecer una comparación objetiva en el uso de más información de cada año procesado (solución robusta) y buscar una combinación de µ, σ y κ (solución óptima) que conduzcan a un EEA menor o similar al mínimo obtenido con los métodos de ajuste por sextiles (Clarke, 1973; Campos-Aranda, 2001); momentos L (Hosking & Wallis, 1997; Stedinger, 2017), y momentos LH (Wang, 1997a; Wang, 1997b; Campos-Aranda, 2016).

Datos procesados

Registro de niveles en el Mar del Norte

Guedes Soares y Scotto (2004) presentan una gráfica de cinco niveles máximos anuales (metros) en el Mar del Norte, en el periodo 1976-1999; por lo cual, n = 24. Sus valores aproximados se muestran en la Tabla 1. Estos autores, para asegurarse de utilizar r valores anuales independientes, usan el concepto de duración o longitud estándar de tormenta (Tawn, 1988), definida en 480 horas (20 días), al muestrear un registro de niveles máximos tomado cada tres horas.

Tabla 1 Cinco niveles máximos anuales independientes (metros) en el Mar del Norte (Guedes Soares & Scotto, 2004). 

Año r valores anuales
1 2 3 4 5
1976 10.38 9.39 9.21 8.59 8.45
1977 10.60 9.57 9.03 7.80 7.69
1978 11.34 9.06 7.82 7.57 6.78
1979 10.33 10.22 9.42 8.37 7.53
1980 10.54 9.43 9.30 8.50 7.90
1981 11.22 10.13 9.44 9.24 9.17
1982 8.85 8.67 8.34 7.96 7.85
1983 10.53 10.16 9.14 8.78 7.27
1984 9.20 8.97 8.43 8.11 7.14
1985 10.68 9.40 8.89 8.44 7.60
1986 9.92 9.49 8.60 8.47 8.14
1987 9.36 8.22 7.96 7.92 7.18
1988 12.95 10.17 9.08 8.67 8.34
1989 10.32 10.03 9.80 9.14 8.66
1990 10.46 10.00 9.60 9.00 8.47
1991 9.98 9.48 8.98 8.47 8.00
1992 11.47 9.80 8.46 7.98 7.48
1993 12.00 10.98 10.40 9.48 8.98
1994 9.00 8.46 7.98 7.50 7.20
1995 11.48 10.98 10.47 9.98 7.98
1996 10.97 10.00 9.00 8.00 7.50
1997 12.00 9.33 8.47 7.66 7.48
1998 8.52 8.40 8.18 8.04 7.88
1999 8.40 7.86 7.44 7.00 6.87

Integración de los registros de crecientes

Se procesaron cinco registros que fueron integrados con base en la información disponible en el sistema BANDAS (IMTA, 2002), en el CD 1, la cual se denomina “Gastos máximos mensuales”, e incluye día, hora y lectura de escala de cada uno de los 12 gastos máximos del año analizado. Los cinco registros por procesar de la Región Hidrológica No. 10 (Sinaloa), México, se exponen de mayor a menor área de cuenca. El parteaguas y colector principal de las estaciones hidrométricas: Huites, Santa Cruz, Jaina, Guamúchil y El Bledal, se muestran en la figura 1 de Campos-Aranda (2014), junto con otras 17 cuencas de tal región.

Para su integración, se aceptó que un lapso de 15 días asegura condiciones meteorológicas diferentes en la formación de cada creciente dentro de la Región Hidrológica No. 10 (Sinaloa), México (Schulz, 1976; Campos-Aranda, 2000).

No se realizó una verificación de eventos extremos debido a que se acepta que la información hidrométrica que contiene el sistema BANDAS (IMTA, 2002) ha sido contrastada y depurada contra los datos o mediciones de campo.

Para buscar que los registros se integren con gastos independientes, se siguió el siguiente proceso, en cada año (a) se selecciona el gasto máximo anual (xi1), y se revisa hacia adelante y hacia atrás de tal valor si el gasto mensual adyacente tiene un mínimo de 15 días de diferencia con la fecha de este primer máximo; el gasto mensual que no cumpla con tal plazo se elimina; después se busca el siguiente gasto en magnitud (xi2) entre los gastos máximos mensuales disponibles (11, 10 o 9 restantes) y se sigue el proceso descrito; así se avanza hasta integrar los cinco gastos máximos anuales independientes (xi5).

Registro de crecientes en la hidrométrica Huites

La estación de aforos Huites en el río Fuerte de la Región Hidrológica No. 10 (Sinaloa), México, con clave 10037 y área de cuenca de 26057 km2, comenzó a operar en septiembre de 1941 y concluyó en diciembre de 1992 (n = 51), cuando inició la construcción de la Presa Luis Donaldo Colosio. Con el proceso descrito se integró su registro de cinco gastos máximos anuales independientes, que se expone en la Tabla 2.

Tabla 2 Cinco gastos máximos anuales independientes (m3/s) en la estación hidrométrica Huites, de la Región Hidrológica No. 10 (Sinaloa), México. 

Año r valores anuales
1 2 3 4 5
1942 2 531.0 2 037.6 1 868.8 780.3 427.6
1943 14 376.0 3 283.0 1 085.0 416.4 414.2
1944 2 580.0 1 262.5 1 024.8 768.0 474.6
1945 1 499.2 1 250.0 268.4 197.4 24.3
1946 1 164.8 445.0 427.5 151.0 62.2
1947 1 127.3 754.8 718.8 634.0 205.0
1948 3 215.0 799.0 623.2 493.5 118.8
1949 10 000.0 2 297.5 895.3 942.4 826.4
1950 3 229.3 1 384.0 961.0 439.0 438.9
1951 677.0 587.5 322.2 37.6 37.4
1952 1 266.0 895.0 355.8 238.3 223.5
1953 1 025.0 885.0 68.3 57.3 39.0
1954 954.8 540.1 481.2 406.6 171.4
1955 4780.3 1 069.9 662.0 561.8 35.8
1956 695.7 531.7 493.2 278.6 204.8
1957 593.0 489.0 380.0 362.0 156.2
1958 3 010.0 1 045.2 894.0 608.5 307.1
1959 1 908.0 1 831.0 1 345.5 652.0 544.3
1960 15 000.0 1 046.0 985.2 721.4 140.5
1961 1 396.3 905.9 831.6 771.2 682.0
1962 1 620.0 912.0 892.8 501.0 374.5
1963 2 702.0 1 054.0 980.1 969.2 323.0
1964 1 319.1 938.5 216.0 145.2 105.0
1965 1 944.0 1 787.6 491.2 360.0 147.6
1966 2 420.0 892.2 738.0 688.9 340.0
1967 2 505.8 1 310.5 1 192.8 462.5 272.6
1968 1 534.3 1 118.0 1 019.6 703.8 401.6
1969 1 508.0 736.0 504.0 417.6 300.0
1970 1 558.0 1 330.0 970.0 328.7 206.0
1971 2 200.0 1 176.0 592.0 591.2 576.3
1972 2 225.0 2 040.0 1 142.0 1 109.0 732.1
1973 7 960.0 2 256.5 1 546.1 1 380.0 372.5
1974 3 790.0 3 315.0 1 120.0 886.7 587.5
1975 1 095.0 965.5 532.9 213.2 59.2
1976 2 677.0 1 350.2 1 211.0 69.6 50.4
1977 1 135.0 622.0 266.9 153.5 120.0
1978 4 790.0 1 750.0 1 119.2 756.0 475.4
1979 6 860.0 1 001.0 820.0 480.0 302.0
1980 1 496.0 1 475.0 1 197.8 660.2 452.0
1981 4 828.1 2 448.0 2 280.0 2 052.0 1 000.3
1982 2 450.0 1 571.6 1 085.2 624.0 412.8
1983 8 275.0 1 439.0 1 400.0 1 006.7 893.0
1984 5 580.0 1 623.0 1 132.0 624.5 369.2
1985 3 585.0 1 250.0 1 121.4 925.0 307.6
1986 1 348.8 1 329.3 436.8 434.0 193.7
1987 1 429.2 679.2 310.4 78.7 62.9
1988 1 866.3 1 494.3 132.6 82.7 47.2
1989 1 868.5 1 413.9 1 230.3 1 164.7 249.9
1990 11 558.6 3 544.2 970.1 815.6 376.9
1991 2 563.1 2 370.0 1 721.5 1 517.6 1 266.7
1992 2 025.3 1 564.8 1 348.9 787.3 528.5

Registro de crecientes en la hidrométrica Santa Cruz

La estación de aforos Santa Cruz en el río San Lorenzo de la Región Hidrológica No. 10 (Sinaloa), México, con clave 10040 y área de cuenca de 8919 km2, comenzó a operar en mayo de 1943 y concluyó su registro continuo en diciembre de 1980 (n = 38). Con el proceso descrito se integró su registro de cinco gastos máximos anuales independientes, lo cual se muestra en la Tabla 3 y Figura 1.

Tabla 3 Cinco gastos máximos anuales independientes (m3/s) en la estación hidrométrica Santa Cruz, de la Región Hidrológica No. 10 (Sinaloa), México. 

Año r valores anuales
1 2 3 4 5
1943 2 102.9 2 067.3 1 166.0 485.0 266.2
1944 2 142.0 1 210.0 173.3 257.0 125.4
1945 1 023.4 623.8 427.4 267.7 66.8
1946 837.6 374.0 265.4 141.1 133.0
1947 1 161.2 734.0 672.8 211.5 134.6
1948 1 062.0 787.8 618.6 606.0 562.6
1949 784.2 503.6 270.4 233.8 207.7
1950 1 086.3 836.7 309.0 302.0 51.4
1951 487.8 421.0 333.4 272.0 146.0
1952 677.0 244.2 161.9 110.0 75.3
1953 807.0 480.6 385.0 122.0 92.0
1954 553.0 424.0 276.8 126.0 14.2
1955 1 252.0 895.6 768.4 426.0 26.8
1956 369.5 329.7 334.1 129.0 38.6
1957 293.0 279.0 190.6 154.0 11.6
1958 1 157.2 576.7 455.0 438.3 337.8
1959 762.2 232.1 48.0 40.4 28.0
1960 1 074.0 679.0 591.5 536.7 364.2
1961 1 280.0 765.0 587.6 521.0 112.5
1962 1 002.0 574.0 284.4 44.5 43.7
1963 3 680.0 707.4 615.1 566.7 277.0
1964 861.0 728.5 400.0 322.3 151.6
1965 888.8 346.0 187.4 175.0 55.9
1966 1 166.4 692.6 103.4 99.6 75.0
1967 950.0 651.2 603.6 252.6 225.8
1968 7 000.0 766.8 458.6 442.0 421.6
1969 484.0 438.0 365.0 323.0 192.0
1970 920.6 780.0 512.0 161.5 49.5
1971 812.0 747.0 443.3 280.6 126.0
1972 3 332.4 1 748.5 610.0 543.0 267.4
1973 898.0 890.0 800.0 90.5 73.3
1974 2 790.0 1 748.0 580.0 256.6 8.7
1975 620.0 410.0 392.5 182.0 23.8
1976 1 495.0 410.0 359.6 330.0 290.0
1977 836.0 696.0 512.9 114.6 78.0
1978 940.0 420.0 315.5 265.6 46.0
1979 3 080.0 523.3 484.0 67.9 22.0
1980 1 550.0 682.9 422.7 411.2 252.5

Figura 1 Serie de gastos máximos anuales (r = 1) y rectas de predicciones estacionarias en la estación hidrométrica Santa Cruz, de la Región Hidrológica No. 10 (Sinaloa), México. 

Registro de crecientes en la hidrométrica Jaina

La estación de aforos Jaina en el río Sinaloa de la Región Hidrológica No. 10 (Sinaloa), México, con clave 10036 y área de cuenca de 8179 km2, comenzó a operar en enero de 1942 y concluyó su registro continuo en diciembre de 1997 (n = 56). Con el proceso descrito se integró su registro de cinco gastos máximos anuales independientes, lo cual se expone en la Tabla 4.

Tabla 4 Cinco gastos máximos anuales independientes (m3/s) en la estación hidrométrica Jaina, de la Región Hidrológica No. 10 (Sinaloa), México. 

Año r valores anuales
1 2 3 4 5
1942 2 065.2 707.0 219.5 217.0 114.4
1943 6 991.3 1 715.0 1091.4 501.9 427.0
1944 580.0 514.0 404.9 366.0 253.8
1945 714.2 501.6 312.2 208.2 83.5
1946 746.5 280.0 217.0 81.9 70.3
1947 771.2 452.3 291.5 279.0 175.8
1948 692.5 622.8 438.6 311.0 192.7
1949 2 614.0 914.0 463.0 379.4 283.5
1950 2 336.0 438.3 287.2 135.5 110.9
1951 437.0 369.8 328.2 261.2 31.1
1952 594.2 304.0 163.0 40.6 26.9
1953 545.5 346.3 173.4 19.7 12.3
1954 516.4 327.8 213.1 81.8 58.0
1955 1 600.0 1 143.0 835.0 310.0 19.0
1956 639.0 514.0 212.0 25.1 23.0
1957 362.0 314.0 180.5 42.8 15.3
1958 2 232.0 594.0 389.0 305.6 230.6
1959 615.5 586.0 370.4 359.0 176.5
1960 2 003.0 545.6 394.4 316.1 302.0
1961 795.0 719.0 439.0 351.5 307.8
1962 1 137.0 514.8 297.6 295.2 59.7
1963 1 226.0 718.1 506.8 264.9 100.5
1964 453.7 433.2 233.0 129.8 36.7
1965 649.8 325.2 144.5 42.0 35.6
1966 958.0 381.6 274.8 143.6 109.0
1967 900.0 368.8 327.6 201.9 106.0
1968 1 338.0 734.9 522.0 250.6 215.5
1969 340.0 205.0 193.0 67.1 44.3
1970 356.6 287.8 208.0 107.0 19.0
1971 1 109.0 831.9 467.0 282.0 198.0
1972 932.0 551.0 468.2 412.0 403.1
1973 1 349.0 520.0 411.6 395.0 364.5
1974 680.0 675.0 545.8 418.8 220.0
1975 488.0 164.8 164.3 35.7 17.8
1976 900.0 390.2 313.3 290.5 216.5
1977 790.7 229.4 195.2 188.0 74.4
1978 988.0 521.0 315.2 26.9 26.0
1979 1 620.0 309.0 300.5 239.8 115.6
1980 400.3 321.2 132.5 121.2 103.5
1981 2 831.7 452.1 342.0 233.4 316.9
1982 4 440.4 325.0 105.0 66.5 51.6
1983 178.9 152.8 108.5 89.3 80.2
1984 693.7 586.4 451.2 315.6 220.5
1985 493.9 468.9 152.4 127.2 123.0
1986 416.2 276.7 114.4 88.9 78.7
1987 518.2 86.4 64.2 62.5 61.7
1988 105.0 63.7 36.7 35.8 26.7
1989 227.4 140.1 85.9 75.7 68.4
1990 638.2 412.2 286.9 181.8 86.9
1991 308.9 292.0 138.6 129.1 108.6
1992 371.8 143.7 125.3 114.9 92.1
1993 216.2 90.6 80.6 78.6 77.1
1994 199.0 119.0 91.9 85.2 80.5
1995 173.6 117.4 98.8 85.5 75.5
1996 343.6 336.8 89.9 77.1 57.6
1997 169.1 116.2 86.5 74.1 66.4

Registro de crecientes en la hidrométrica Guamúchil

La estación de aforos Guamúchil en el río Mocorito de la Región Hidrológica No. 10 (Sinaloa), México, con clave 10031 y área de cuenca de 1645 km2, comenzó a operar en octubre de 1938 y concluyó en diciembre de 1971 (n = 33), cuando inició la construcción de la presa Eustaquio Buelna. Con el proceso descrito se integró su registro de cinco gastos máximos anuales independientes (Tabla 5).

Tabla 5 Cinco gastos máximos anuales independientes (m3/s) en la estación hidrométrica Guamúchil, de la Región Hidrológica No. 10 (Sinaloa), México. 

Año r valores anuales
1 2 3 4 5
1939 299.0 299.0 164.4 78.0 12.2
1940 254.5 37.2 34.1 31.9 3.2
1941 65.3 36.1 13.5 3.0 2.1
1942 445.0 298.0 161.0 83.0 4.9
1943 1 550.0 1 236.4 298.0 92.3 71.5
1944 391.8 71.4 22.1 7.9 2.7
1945 916.0 336.0 276.0 228.7 1.7
1946 241.0 48.4 12.7 0.3 0.3
1947 530.0 133.0 26.0 15.5 0.9
1948 648.0 548.0 195.9 40.4 2.8
1949 375.0 145.4 89.2 72.8 34.0
1950 272.3 74.2 69.3 1.4 0.2
1951 422.3 409.7 82.8 13.8 2.3
1952 376.8 26.8 16.7 0.2 0.1
1953 1 173.0 261.3 213.0 3.0 1.1
1954 219.0 115.4 101.2 24.9 0.4
1955 3 507.0 189.0 11.4 2.3 1.1
1956 165.0 148.2 76.4 0.4 0.2
1957 526.0 342.0 57.4 8.2 0.4
1958 1 014.0 534.0 221.0 168.0 2.3
1959 1610.0 374.0 372.8 22.4 2.7
1960 137.0 130.0 94.5 69.3 49.4
1961 524.5 302.0 134.1 28.5 5.4
1962 985.0 524.0 168.0 112.5 4.9
1963 459.5 311.2 211.5 90.7 22.7
1964 390.0 202.1 123.2 4.4 1.1
1965 449.0 382.5 3.1 1.4 0.1
1966 793.9 687.8 3.4 3.2 0.6
1967 719.5 325.0 105.7 10.6 6.8
1968 200.0 146.2 132.5 24.8 9.3
1969 312.0 126.6 84.7 30.3 5.3
1970 520.0 295.0 256.0 2.7 0.3
1971 1 045.0 790.0 175.0 52.8 25.0

Registro de crecientes en la hidrométrica El Bledal

La estación de aforos El Bledal, en el arroyo del mismo nombre de la Región Hidrológica No. 10 (Sinaloa), México, con clave 10027 y área de cuenca de 371 km2, comenzó a operar en septiembre de 1937 y concluyó en diciembre de 1994 (n = 57). Con el proceso descrito se integró su registro de cinco gastos máximos anuales independientes, como se expone en la Tabla 6.

Tabla 6 Cinco gastos máximos anuales independientes (m3/s) en la estación hidrométrica El Bledal, de la Región Hidrológica No. 10 (Sinaloa), México. 

Año r valores anuales
1 2 3 4 5
1938 766.1 120.8 89.8 77.7 2.9
1939 597.3 204.0 16.5 13.0 11.9
1940 170.0 28.0 19.0 8.4 1.3
1941 118.6 17.1 10.1 4.8 3.6
1942 64.6 33.8 6.4 0.3 0.2
1943 157.2 150.5 40.9 32.3 12.3
1944 197.0 46.2 1.0 0.8 0.5
1945 414.0 253.2 144.0 21.4 0.9
1946 291.0 95.3 14.0 7.1 0.3
1947 174.0 8.4 0.9 0.5 0.5
1948 233.0 141.2 106.0 3.5 0.8
1949 155.2 25.1 15.8 1.4 1.0
1950 44.1 40.4 22.8 1.8 0.2
1951 227.4 68.0 29.6 26.7 2.5
1952 169.0 15.4 15.4 0.8 0.2
1953 668.9 334.0 155.0 12.5 0.5
1954 30.7 15.4 8.1 1.9 0.5
1955 152.0 79.8 3.9 3.7 0.3
1956 91.4 51.3 48.1 1.0 0.3
1957 283.0 30.5 28.3 0.3 0.2
1958 433.0 121.0 95.4 30.3 3.0
1959 132.4 59.3 2.4 1.1 0.3
1960 529.0 161.6 20.0 18.6 10.3
1961 122.0 92.3 3.8 1.3 0.5
1962 1 000.0 108.5 56.5 34.7 0.6
1963 335.0 123.0 61.3 0.4 0.2
1964 258.0 189.8 59.0 12.8 0.6
1965 91.5 56.8 52.2 1.3 0.4
1966 121.8 98.6 95.9 1.5 0.2
1967 325.6 115.4 92.7 46.5 8.6
1968 1 576.0 190.4 70.6 6.1 2.9
1969 228.0 42.0 24.4 0.7 0.3
1970 82.0 37.0 0.6 0.2 0.1
1971 276.0 260.0 191.0 4.3 3.1
1972 380.0 112.0 68.6 20.6 0.5
1973 296.0 2.2 0.6 0.4 0.2
1974 256.1 98.0 64.2 46.9 25.0
1975 490.0 73.4 30.6 1.1 0.4
1976 59.6 25.0 25.0 18.4 6.1
1977 123.0 61.3 4.0 0.2 0.1
1978 255.0 21.7 5.6 0.1 0.1
1979 283.0 52.3 10.8 0.2 0.1
1980 226.0 211.1 42.6 1.3 0.2
1981 210.0 118.0 79.8 1.4 0.3
1982 67.0 62.5 18.0 11.2 4.5
1983 50.7 47.6 32.5 13.4 10.8
1984 160.0 153.1 105.2 90.5 70.5
1985 278.0 240.0 95.5 86.5 3.2
1986 723.5 25.6 15.1 13.5 1.9
1987 107.2 92.4 11.2 2.4 0.3
1988 234.3 102.5 80.6 2.8 1.6
1989 424.9 197.0 36.0 31.7 1.1
1990 459.3 332.4 86.2 18.1 2.2
1991 73.8 58.2 35.2 10.3 4.6
1992 181.1 161.9 77.6 12.7 0.9
1993 334.0 127.9 70.4 10.2 0.2
1994 278.2 143.3 101.0 3.3 0.9

Registro de niveles con tendencia en Venecia

En la Tabla 7 y Figura 2 se tienen los primeros cinco niveles máximos anuales del mar de los 10 que expuso Smith (1986), para Venecia, Italia.

Tabla 7 Registro de cinco niveles máximos anuales (metros) durante 51 años en Venecia, Italia (Smith, 1986). 

Año r valores anuales Año r valores anuales
1 2 3 4 5 1 2 3 4 5
1931 103 99 98 96 94 1957 119 107 100 98 98
1932 78 78 74 73 73 1958 124 114 113 110 108
1933 121 113 106 105 102 1959 118 117 108 107 105
1934 116 113 91 91 91 1960 145 126 123 116 114
1935 115 107 105 101 93 1961 122 108 104 100 100
1936 147 106 93 90 87 1962 114 110 108 107 106
1937 119 107 107 106 105 1963 118 116 114 112 110
1938 114 97 85 83 82 1964 107 104 104 103 102
1939 89 86 82 81 80 1965 110 108 106 102 101
1940 102 101 98 97 96 1966 194 127 126 104 103
1941 99 98 96 95 94 1967 138 118 118 107 100
1942 91 91 87 83 83 1968 144 132 123 114 112
1943 97 88 82 79 78 1969 138 120 116 114 108
1944 106 96 94 90 89 1970 123 122 119 110 105
1945 105 102 98 88 86 1971 122 116 116 109 104
1946 136 104 103 101 100 1972 120 118 113 111 96
1947 126 108 101 99 98 1973 114 111 99 98 97
1948 132 126 119 107 101 1974 96 95 95 93 92
1949 104 102 102 101 93 1975 125 110 109 103 102
1950 117 96 91 89 88 1976 124 122 114 109 108
1951 151 117 114 109 106 1977 120 102 100 98 96
1952 116 104 103 98 91 1978 132 114 110 107 105
1953 107 102 98 98 92 1979 166 140 131 130 122
1954 112 100 95 94 94 1980 134 114 111 109 107
1955 97 96 96 95 94 1981 138 136 130 128 119
1956 95 91 90 85 85 - - - - - -

Figura 2 Serie de niveles máximos anuales (r = 1) y rectas de predicciones con tendencia lineal y covariable el tiempo (t), en Venecia, Italia. 

Resultados

Prueba de aleatoriedad

Los resultados del test de Wald-Wolfowitz, definido en las ecuaciones (19) a (23), para cada uno de seis registros procesados (Tabla 1, Tabla 2, Tabla 3, Tabla 4, Tabla 5 y Tabla 6, columnas 2), son los siguientes: Mar del Norte U = -0.518; Huites U = -0.113; Santa Cruz U = -0.827; Jaina U = 1.510; Guamúchil U = -1.414; El Bledal U = 0.224, y Venecia U = 2.641. Por lo anterior, los primeros seis registros de valores máximos anuales (r = 1) son aleatorios y el de Venecia no lo es.

Ajustes a las series anuales (r = 1)

En la Tabla 8 se han concentrado los resultados de los ajustes de la distribución GVE a cada una de las series anuales de valores máximos (r = 1), por medio de los métodos de sextiles, momentos L y momentos LH. Tales resultados son los parámetros de ajuste (µ, σ, κ) y el error estándar de ajuste (EEA), cuyo valor mínimo alcanzado en cada serie se indica entre paréntesis.

Tabla 8 Error estándar de ajuste (EEA) y parámetros óptimos de las series anuales (r = 1), en los seis registros indicados con los tres métodos citados. 

Registro EEA Sextiles
µ σ κ
Mar del Norte 0.189 10.048 1.139 -0.3075
Huites 991.2 1 724.345 1 099.256 0.4778
Santa Cruz 305.3 814.822 507.620 0.3495
Jaina 208.5 514.672 390.172 0.4192
Guamúchil 177.2 373.026 260.903 0.3363
El Bledal 36.3 169.232 118.795 0.3062
Venecia 3.984 111.438 16.966 -0.1102
Registro EEA Momentos L
µ σ κ
Mar del Norte (0.184) 10.034 1.187 -0.3040
Huites 930.0 1 755.541 1 178.274 0.4459
Santa Cruz 282.2 826.631 402.385 0.4544
Jaina (190.8) 516.752 381.623 0.4353
Guamúchil 153.4 362.642 250.526 0.3803
El Bledal 33.4 168.181 123.130 0.2982
Venecia 3.636 110.994 16.854 -0.0764
Registro EEA Momentos LH
µ σ κ
Mar del Norte (L1) 0.186 10.038 1.106 -0.2391
Huites (L2) (830.3) 1 509.511 1 598.497 0.3264
Santa Cruz (L3) (275.3) 743.090 473.732 0.4044
Jaina (L1) 191.6 514.368 387.161 0.4296
Guamúchil (L3) (152.7) 361.325 249.637 0.3827
El Bledal (L4) (32.0) 171.392 116.514 0.3222
Venecia (L1) (3.587) 111.690 14.241 0.0405

Guías para la aplicación del algoritmo Complex

De inicio se buscó definir límites y valores iniciales de las variables de ajuste (µ, σ, κ), y de las dependientes o restricciones de positividad que funcionaran para las cinco series por procesar (r = 1,..., 5) de cada registro.

Durante las primeras aplicaciones del código OPTIM surgieron varias dificultades, una de ellas estuvo asociada con los límites de las variables, que son del tipo ≤. Entonces, para los límites inferiores no se debe poner cero sino 0.10 para los parámetros de ubicación (µ) y escala (σ), y 0.01 para las variables dependientes.

Respecto a los límites superiores, se encontró conveniente usar como mínimo el doble de los valores calculados para los parámetros µ y σ de la GVE de las series de gastos máximos anuales (r = 1) por medio del método que condujo al EEA mínimo (Tabla 8). Nunca fue necesario cambiar los límites superiores para que el código OPTIM funcionara. Para las variables dependientes se adoptó un valor superior de 100.

En relación con los límites del parámetro de forma (κ), por lo general se usaron como inferior -0.50 y como superior 0.50, o bien -1 y 1. En pocas ocasiones se tuvo que restringir su límite para obtener resultados en el orden de magnitud del EEA del primer registro procesado (r = 1).

Finalmente, respecto a los valores iniciales de los parámetros de ajuste (µ, σ, κ), en general funcionaron bien los valores cercanos al mejor ajuste de la GVE (Tabla 8) entre sextiles, momentos L y momentos LH con la serie de gastos máximos anuales (r = 1). En la Tabla 9 se exponen los límites y valores iniciales utilizados para procesar las 30 series de valores máximos anuales.

Tabla 9 Límites y valores iniciales adoptados para los parámetros de ajuste (µ, σ, κ) en la aplicación del algoritmo Complex. 

Registro µ σ κ
inf sup inic inf sup inic inf Sup inic
Mar del Norte 0.10 100 15 0.10 100 5 -0.50 0.50 -0.25
Huites 0.10 4 000 1 500 0.10 3 000 1 000 -1.00 1.00 0.45
Santa Cruz 0.10 2 000 900 0.10 1 000 500 -0.50 0.50 0.35
Jaina 0.10 1 000 500 0.10 800 400 -0.50 0.50 0.45
Guamúchil 0.10 800 300 0.10 500 200 -0.50 0.50 0.30
El Bledal 0.10 300 150 0.10 200 100 -0.40 0.40 0.35

El registro de Venecia se procesó sustituyendo a la Ecuación (16) en la Ecuación (15), ahora con cuatro parámetros de ajuste. Los límites inferior y superior, y el valor inicial fueron los siguientes: β0(0.10,200,100), β1(0.10,2,0.75), σ(0.10,30,15) y κ(-0.50,0.50,-0.05).

Al procesar algunas series de ciertos registros se tuvo que cambiar un dato inicial para que el algoritmo Complex llegara a una solución cercana a la óptima y no a un mínimo local. Por ejemplo, en el registro de Mar del Norte, para la serie de r = 3 se usó -0.05 para el κ inicial. Para el registro de El Bledal se limitó a 0.40 el valor de parámetro de forma κ.

Resultados del algoritmo Complex

En la Tabla 10 se muestran los principales indicadores de la aplicación del algoritmo Complex (aC), como son: la función logarítmica de máxima verosimilitud (FLMV), calculada con la Ecuación (15); el error estándar de ajuste (EEA), evaluado con la Ecuación (23), y los valores óptimos de los parámetros de ajuste (µ, σ, κ).

Tabla 10 Resultados del algoritmo Complex con cada serie anual de r gastos máximos en los registros indicados. 

Registro: r FLMV Inicial FLMV final No.Eval. EEA aC Parámetros de ajuste
µ σ κ
Mar del Norte

EEAmín = 0.184

1 79.2 36.9 307 0.184 10.037 1.124 -0.2712
2 108.8 50.7 176 0.225 10.024 0.995 -0.2001
3 123.4 60.5 154 0.211 10.007 1.029 -0.2164
4 158.4 66.7 164 0.196 9.993 1.071 -0.2300
5 181.3 75.2 198 0.190 10.000 1.118 -0.2753
Huites

EEAmín = 830.3

1 455.1 453.3 96 1363.0 1690.25 1081.08 0.5713
2 829.5 825.9 96 1186.1 1666.73 1054.85 0.5490
3 1185.8 1182.5 98 971.5 1759.61 1193.36 0.3971
4 1515.7 1508.9 93 1040.4 1781.62 1196.44 0.3687
5 1839.9 1825.6 94 900.3 1746.67 1267.03 0.4372
Santa Cruz

EEAmín = 275.3

1 300.9 300.6 111 349.5 856.806 457.724 0.3632
2 552.8 552.1 132 267.3 819.749 463.835 0.4040
3 793.5 787.3 122 408.0 830.896 496.459 0.3006
4 1033.3 1009.9 116 364.9 815.842 518.103 0.3090
5 1295.4 1226.4 128 470.6 860.041 539.006 0.2255
Jaina

EEAmín = 190.8

1 436.1 435.6 127 100.4 505.486 372.456 0.4894
2 788.2 784.3 85 230.9 550.876 377.100 0.4194
3 1106.2 1098.4 120 216.9 550.285 376.230 0.4266
4 1403.2 1394.7 115 238.3 547.134 380.289 0.4131
5 1676.0 1663.4 117 134.9 527.104 381.679 0.4593
Guamúchil

EEAmín = 152.7

1 243.6 241.9 118 153.7 370.294 254.203 0.3724
2 448.2 444.9 145 138.0 375.509 281.706 0.3518
3 630.5 625.2 103 152.6 338.938 267.647 0.3607
4 802.1 787.2 213 119.3 292.374 259.547 0.4991
5 935.1 917.7 158 181.7 240.682 211.943 0.4994
El Bledal

EEAmín = 32.0

1 374.3 373.5 99 16.6 163.134 118.291 0.3673
2 684.1 676.5 110 33.8 144.617 116.827 0.3473
3 951.4 931.5 167 42.0 131.231 108.428 0.3998
4 1202.2 1159.1 167 71.2 115.991 99.014 0.4000
5 1367.1 1326.9 144 140.1 93.270 76.361 0.3999

También se cita en la columna 1 de la Tabla 10 el EEA mínimo obtenido (Tabla 8) con la serie anual de máximos anuales (r = 1), con alguno de los tres métodos aplicados: sextiles, momentos L y momentos LH. Contra tal valor habrá que comparar los alcanzados por el algoritmo Complex, mostrados en la columna 6 (solución robusta). Los valores del EEA adoptados se muestran sombreados en la Tabla 10: son los mínimos alcanzados por el algoritmo Complex.

Los resultados relativos a las cinco series del registro de Venecia, Italia, se han concentrado en la Tabla 11, en la cual se observa que el mejor ajuste se logró con r = 2 y un valor de EEA cercano al mínimo del método de los momentos LH de 3.587 metros (Tabla 8).

Tabla 11 Resultados del algoritmo Complex con cada serie anual de r niveles máximos en el registro de Venecia, Italia, considerando tendencia lineal. 

r FLMVinicial FLMVfinal No.eval. EEAaC Parámetros de ajuste
β0 β1 σ κ
1 224.6 216.1 205 7.444 96.902 0.562 14.490 -0.0276
2 376.0 367.3 188 5.381 101.175 0.476 12.960 -0.0117
3 501.1 494.5 164 6.207 101.419 0.535 12.758 -0.0467
4 616.3 605.6 261 5.983 103.712 0.478 12.539 -0.0459
5 722.2 705.6 244 5.761 104.281 0.456 12.327 -0.0337

Discusión

Contrastes del EEA

Con base en los resultados de la Tabla 10 se deduce: (1) para el registro de Mar del Norte, que el método de máxima verosimilitud con r = 1 iguala al EEA mínimo, alcanzado con el método de momentos L; (2) en los registros de las estaciones Huites y Santa Cruz se obtiene la mejor opción con r = 5 en la primera y con r = 2 en la segunda; en Santa Cruz se obtiene un EEA menor que el mínimo (L3) del método de momentos LH; (3) en los registros de las estaciones Jaina, Guamúchil y El Bledal se definen como mejores opciones las siguientes: r = 1, r = 4 y r = 1, que conducen a un EEA menor que el mínimo obtenido con los métodos de momentos L en Jaina y de momentos LH en las otras dos estaciones.

Predicciones del algoritmo Complex

Seleccionadas, en cada uno de los seis registros procesados, las series de r que condujeron a los EEA menores, se contrastan las predicciones obtenidas y expuestas en la Tabla 12 contra las del método que condujo al menor EEA en la Tabla 8, para establecer las que serán adoptadas, por ser más severas o críticas, las cuales se muestran sombreadas.

Tabla 12 Predicciones para los periodos de retorno indicados, con cada serie anual de r gastos máximos independientes en los registros indicados. 

Registro Met. R Periodos de retorno (Tr) en años
5 10 25 50 100 500 1 000
Mar del Norte (metros) ml 11.46 11.97 12.46 12.75 12.97 13.35 13.46
1 11.42 11.93 12.44 12.74 12.99 13.41 13.54
2 11.31 11.83 12.38 12.72 13.02 13.56 13.75
3 11.33 11.84 12.38 12.72 13.01 13.52 13.70
4 11.35 11.87 12.42 12.75 13.03 13.53 13.70
5 11.37 11.88 12.35 12.67 12.92 13.33 13.46
Huites (m3/s) L2 4 603 6 821 10 523 14 113 18 593 33 829 43 286
1 4 256 6 642 11 562 17 380 25 997 65 651 97 674
2 4 123 6 355 10 869 16 112 23 758 57 976 84 967
3 4 206 6 099 9 457 12 906 17 428 34 194 45 434
4 4 178 5 976 9 089 12 213 16 228 30 607 39 953
5 4 432 6 600 10 581 14 805 20 501 42 685 58 214
Santa Cruz (m3/s) L3 1 720 2 482 3 842 5 247 7 098 14 024 18 704
1 1 770 2 450 3 624 4 796 6 297 11 637 15 087
2 1 776 2 521 3 851 5 225 7 035 13 801 18 370
3 1 772 2 428 3 499 4 516 5 762 9 870 12 349
4 1 804 2 500 3 644 4 738 6 086 10 575 13 308
5 1 822 2 440 3 387 4 232 5 214 8 174 9 817
Jaina (m3/s) ml 1 324 1 975 3 168 4 431 6 133 12 745 17 364
1 1 330 2 034 3 386 4 882 6 975 15 670 22 108
2 1 338 1 962 3 091 4 271 5 843 11 832 15 945
3 1 341 1 972 3 120 4 328 5 945 12 162 16 465
4 1 337 1 959 3 077 4 240 5 783 11 615 15 593
5 1 351 2 032 3 307 4 684 6 569 14 116 19 526
Guamúchil (m3/s) L3 867 1 252 1 928 2 613 3 503 6 744 8 883
1 881 1 266 1 934 2 607 3 474 6 592 8 628
2 932 1 342 2 042 2 735 3 615 6 702 8 672
3 872 1 268 1 949 2 628 3 497 6 576 8560
4 872 1 371 2 339 3 418 4 938 11 329 16 109
5 714 1 122 1 913 2 795 4 037 9 264 13 175
El Bledal (m3/s) L4 396 557 823 1 081 1 402 2 487 3 158
1 400 577 884 1 191 1 586 2 997 3 912
2 375 543 830 1 112 1 470 2 719 3 512
3 354 527 834 1 151 1 566 3 112 4 151
4 320 477 758 1 047 1 427 2 840 3 790
5 250 372 589 811 1 104 2 194 2 927
Venecia (metros) L1 133.7 145.2 160.3 171.9 183.7 212.3 225.2
1 146.9 157.2 169.9 179.2 188.2 208.3 216.7
2 144.7 154.2 166.1 174.9 183.5 203.1 211.5
3 147.2 156.0 166.6 174.2 181.5 197.5 204.0
4 146.2 154.9 165.4 172.9 180.1 195.9 202.3
5 145.5 154.2 164.9 172.6 180.0 196.6 203.5

Se aclara que las predicciones mostradas para las cinco series de Venecia, Italia, corresponden al final del periodo histórico, es decir, utilizando la covariable t con un valor de 51, en la Ecuación (16), al aplicarla en la Ecuación (7).

Asimismo, debido a la amplitud que muestran (33 ≤ n ≤ 57) los cinco registros de crecientes procesados de la Región Hidrológica No. 10 (Sinaloa), México, sus predicciones confiables pueden abarcar hasta el periodo de retorno (Tr) de 100 años; sin embargo, se presentan las de Tr = 500 y 1 000 años para observar el grado de dispersión que tales predicciones robustas muestran en ambos intervalos de recurrencia extremos.

Para el registro de Santa Cruz, en los periodos de retorno (Tr) mayores de 50 años se observan en la Tabla 12 predicciones ligeramente más grandes con el método de los momentos LH, que con las soluciones robustas del método de los r eventos máximos anuales. Lo mismo ocurre en el registro de Venecia, pero exclusivamente en los periodos de retorno (Tr) de 500 y 1 000 años.

Por otra parte, para los registros de Huites (r = 5), Santa Cruz (r=2) y Guamúchil (r = 4) se obtuvieron predicciones más severas o críticas con el ajuste de la GVE y el método de r eventos anuales, que las alcanzadas con los métodos clásicos, que utilizan un valor máximo anual. Lo anterior es notable en el registro de Guamúchil.

Finalmente, en los registros restantes (Mar del Norte, Jaina y El Bledal) con r = 1, el método de máxima verosimilitud iguala o reduce el EEA alcanzado por los métodos clásicos de momentos L y LH. En la estación Jaina es factible adoptar los resultados de la serie con r = 5 si se desea una solución robusta con un EEA ligeramente mayor.

Conclusiones

El ajuste de la distribución GVE, con el método de máxima verosimilitud y utilizando r eventos máximos anuales, es un procedimiento que permite utilizar más información de los valores extremos observados y, por lo tanto, realiza predicciones más confiables, ya que se están estimando sus parámetros de ajuste con más precisión. En resumen, conduce a una solución robusta desde un punto de vista estadístico.

Las siete aplicaciones numéricas descritas mostraron que la maximización de la función logarítmica de verosimilitud mediante el algoritmo Complex no presentó dificultades computacionales. Además, encuentra soluciones óptimas que mejoran el ajuste logrado con los métodos clásicos de momentos L y LH, que utilizan únicamente el valor máximo anual. Este fue el caso en cuatro de los cinco registros de crecientes procesados (Tabla 10).

Con base en la última aplicación numérica, relativa a los cinco niveles máximos del mar en Venecia, Italia, se observa la simplicidad para procesar registros no estacionarios que presentan tendencia lineal. Lo anterior, debido a la facilidad para incrementar variables de decisión, cambiar sus límites y/o valores iniciales, y modificar la función objetivo en el algoritmo Complex.

Con respecto a las predicciones, las cuales variaron de un periodo de retorno de 5 a 1 000 años, las soluciones alcanzadas con el algoritmo Complex reportaron en general valores más grandes o críticos. Lo anterior fue notable en los registros de Guamúchil, Jaina y El Bledal. La excepción fue el registro de la estación Santa Cruz en los altos periodos de retorno, donde se obtuvieron predicciones ligeramente menores (Tabla 12).

Tomando en cuenta que no implica gran dificultad integrar registros de crecientes independientes con cinco valores máximos por año y que la implementación del algoritmo Complex es simple, se recomienda aplicar sistemáticamente el ajuste de la distribución GVE con r eventos anuales en el análisis de frecuencias de crecientes.

Agradecimientos

Se agradecen los comentarios constructivos de los árbitros anónimos A y B, los cuales permitieron corregir varios errores ortográficos e incluir dos explicaciones relativas a los datos procesados y predicciones realizadas.

Referencias

An, Y., & Pandey, M. D. (2007). The r largest order statistics model for extreme wind speed estimation. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 95(3), 165-182. [ Links ]

Benson, M. A. (1962). Plotting positions and economics of engineering planning. Journal of Hydraulics Division, 88(6), 57-71. [ Links ]

Bobée, B., & Ashkar, F. (1991). Chapter 1: Data requirements for hydrologic frequency analysis. In: The Gamma Family and derived distributions applied in Hydrology (pp. 1-12). Littleton, USA: Water Resources Publications. [ Links ]

Box, M. J. (1965). A new method of constrained optimization and a comparison with other methods. Computer Journal, 8(1), 42-52. [ Links ]

Bunday, B. D. (1985). Theme 6.2: The Complex method. In: Basic Optimisation Methods (pp. 98-106). London, UK: Edward Arnold publishers, Ltd. [ Links ]

Campos-Aranda, D. F. (2000). Descripción y aplicación del modelo Poisson-Pareto para el análisis de frecuencia de crecientes con series de duración parcial. Ingeniería. Investigación y Tecnología, 1(5), 199-207. [ Links ]

Campos-Aranda, D. F. (2001). Contraste de cinco métodos de ajuste de la distribución GVE en 31 registros históricos de eventos máximos anuales. Ingeniería Hidráulica en México, 16(2), 77-92. [ Links ]

Campos-Aranda, D. F. (2003). Capítulo 9: Optimización Numérica. En: Introducción a los métodos numéricos: software en Basic y aplicaciones en hidrología superficial (pp. 172-211). San Luis Potosí, México: Editorial Universitaria Potosina. [ Links ]

Campos-Aranda, D. F. (2014). Análisis regional de frecuencia de crecientes en la Región Hidrológica No. 10 (Sinaloa), México. 1: índices de estacionalidad y regiones de influencia. Agrociencia, 48(2), 147-158. [ Links ]

Campos-Aranda, D. F. (2016). Ajuste de las distribuciones GVE, LOG y PAG con momentos L de orden mayor. Ingeniería. Investigación y Tecnología, 17(1), 131-142. [ Links ]

Chai, T., & Draxler, R. R. (2014). Root mean square error (RMSE) or mean absolute error (MAE)? - Arguments against avoiding RMSE in the literature. Geoscientific Model Development, 7, 1247-1250. [ Links ]

Clarke, R. T. (1973). Chapter 5: The estimation of floods with given return period. In: Mathematical Models in Hydrology (pp. 130-146) (Irrigation and Drainage Paper 19). Rome, Italy: Food and Agriculture Organization. [ Links ]

Coles, S. (2001). Chapter 2: Basics of Statistical Modeling, chapter 3: Classical Extreme Value Theory and Models, and chapter 6: Extremes of Non-stationary Sequences In: An introduction to Statistical Modeling of Extreme Values (pp. 18-44, 45-73, 105-123). London, UK: Springer-Verlag. [ Links ]

Dupuis, D. J. (1997). Extreme value theory based on the r largest annual events: a robust approach. Journal of Hydrology, 200(1-4), 295-306. [ Links ]

Guedes-Soares, C., & Scotto, M. G. (2004). Application of the r largest-order statistics for long-term predictions of significant wave height. Coastal Engineering, 51(5-6), 387-394. [ Links ]

Hosking, J. R., & Wallis, J. R. (1997). Appendix: L-moments for some specific distributions. In: Regional Frequency Analysis. An approach based on L-moments (pp. 191-209). Cambridge, UK: Cambridge University Press. [ Links ]

IMTA, Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. (2002). Banco Nacional de Datos de Aguas Superficiales (BANDAS). 8 CD’s. Jiutepec, México: Comisión Nacional del Agua-Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales-Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. [ Links ]

Katz, R. W., Parlange, M. B., & Naveau, P. (2002). Statistics of extremes in hydrology. Advances in Water Resources, 25(8-12), 1287-1304. [ Links ]

Khaliq, M. N., Ouarda, T. B. M. J., Ondo, J. C., Gachon, P., & Bobée, B. (2006). Frequency analysis of a sequence of dependent and/or non-stationary hydro-meteorological observations: A review. Journal of Hydrology, 329(3-4), 534-552. [ Links ]

Kite, G. W. (1977). Chapter 3: Frequency distributions and chapter 12: Comparison of frequency distributions. In: Frequency and Risk Analyses in Hydrology (pp. 27-39, 156-168). Fort Collins, USA: Water Resources Publications. [ Links ]

Kottegoda, N. T., & Rosso, R. (2008). Chapter 3: Random variables and their properties. In: Applied Statistics for Civil and Environmental Engineers (pp. 83-164). Oxford, UK: Blackwell Publishing Ltd. [ Links ]

Meylan, P., Favre, A. C., & Musy, A. (2012). Chapter 3: Selecting and checking data series and chapter 5: Estimation of model parameters. In: Predictive Hydrology. A Frequency Analysis Approach (pp. 29-70, 91-102). Boca Raton, USA: CRC Press. [ Links ]

Ramesh, N. I., & Davison, A. C. (2002). Local models for exploratory analysis of hydrological extremes. Journal of Hydrology, 256(1-2), 106-119. [ Links ]

Rao, A. R., & Hamed, K. H. (2000). Theme 1.8: Tests on hydrologic data and chapter 4: Parameter and quantile estimation. In: Flood Frequency Analysis. (pp. 12-21, 73-82). Boca Raton, USA: CRC Press . [ Links ]

Schulz, E. F. (1976). Section 9: Probability Analysis. In: Problems in Applied Hydrology (pp. 411-457). Fort Collins, USA: Water Resources Publications . [ Links ]

Smith, R. L. (1986). Extreme value theory based on the r largest annual events. Journal of Hydrology, 86(1-2), 27-43. [ Links ]

Stedinger, J. R. (2017). Flood frequency analysis. In: Singh, V. P. (ed.). Handbook of Applied Hydrology, 2nd ed. (pp. 76.1-76.8). New York, USA: McGraw-Hill Education. [ Links ]

Tawn, J. A. (1988). An extreme-value theory model for dependent observations. Journal of Hydrology, 101(1-4), 227-250. [ Links ]

Wang, Q. J. (1997a). Using higher probability weighted moments for flood frequency analysis. Journal of Hydrology, 194(1-4), 95-106. [ Links ]

Wang, Q. J. (1997b). LH moments for statistical analysis of extreme events. Water Resources Research, 33(12), 2841-2848. [ Links ]

Recibido: 18 de Junio de 2020; Aprobado: 03 de Septiembre de 2020

Daniel Francisco Campos-Aranda, campos_aranda@hotmail.com

Creative Commons License Este es un artículo publicado en acceso abierto bajo una licencia Creative Commons