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“Consideraciones en las Aplicaciones de Modelos Hidrológicos en
Simulaciones de Periodos Largos”
Universidad Nacional de Córdoba
Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales
Teresa Reyna; Santiago Reyna; María Lábaque
IntroducciónIntroducción
Los ríos y arroyos especialmente los de las sierras de Córdoba tienen una gran variación en sus caudales. Durante el verano, período lluvioso, los caudales son importantes y los mismos provienen fundamentalmente de las precipitaciones que ocurren en la cuenca de aporte.
Durante el invierno los ríos y arroyos presentan un aspecto muy diferente, los caudales son escasos y los mismo provienen de los aportes que reciben del primer acuífero el cual drena lentamente alimentando sus cauces.
IntroducciónIntroducciónEsta situación de gran variación de sus caudales hace
que los modelos de eventos clásicos no se adecuen específicamente para la simulación de períodos largos que incluyan periodos de precipitación y ausencia de la misma.
La necesidad de simular periodos largos ajustándose a la variación de caudales que transitan por los cauces ha llevado a la necesidad de avanzar con modelos que permitan representar el comportamiento del agua en la zona no saturada y las variaciones que sufre la freática y por ende el acuífero freático durante períodos prolongados de tiempo.
IntroducciónIntroducciónLos ríos tiene un régimen hídrico determinado por las
características de la cuenca donde se encuentra ubicado y las precipitaciones tanto pluviográficas como nivales.
En los sitios donde la estacionalidad pluviográfica es muy marcada los ríos tienen una gran diferencia de caudales entre la época donde ocurren las precipitaciones y cuando estas no ocurren.
El flujo subterráneo alimenta los caudales de los ríos y los arroyos durante el periodo seco y a la inversa hay zonas donde el agua de un río, por los efectos de la infiltración, desaparece superficialmente alimentando el subálveo.
Introducción- explicación Introducción- explicación simplificadasimplificada
El comportamiento hídrico de cualquier cuenca se puede comparar al de una esponja que se le suministra agua.
Mientras el agua aplicada a la esponja es inferior a la capacidad de almacenamiento o a su velocidad de absorción, el agua pasa al interior.
Si se rebasan el límite de almacenamiento, el agua excedente fluye por la superficie de la esponja hacia otro lugar (escorrentías superficiales).
Cuando el suministro de agua cesa, la esponja seguirá expulsando agua por flujo subterráneo desde el almacén interior, que saldrá al exterior de diversas formas (flujos subsuperficiales, vertientes, etc.), y hacia la atmósfera por evaporación desde la superficie, hasta quedarse con una cantidad mínima de agua que sólo podrá ser extraída aplicando una presión (bombeo).
En la actualidad se ha tomado conciencia de la importancia de conocer y poder predecir el comportamiento hidrológico, hidráulico e
hidrogeológico de una manera más ajustada, como así también de las interrelaciones de estos sistemas.
La principal incertidumbre asociada a las metodologías que se emplean en la actualidad, para la estimación de la escorrentía directa, radica entre
otros factores de la variabilidad asociada a la humedad antecedente en el suelo (SCS, 1971).
La falta de otras metodologías de fácil aplicación que supongan una alternativa clara, han planteado una
problemática importante.
IntroducciónIntroducción
Modelos de Cálculo del Escurrimiento Superficial
Modelos hidrológicos clásicos de eventos: dificultad de adaptarse a los cambios de
capacidad de infiltración que tiene el suelo durante y luego de la precipitación.
consideran al agua infiltrada como “pérdida” separándola de la precipitación y por lo tanto ignorándola en la posibilidad de generación de caudales.
Modelos de Cálculo
del Escurrimiento Superficial
Modelo clásico (“Pérdidas”)
Modelo acoplado
Proceso Infiltración - Escurrimiento
El proceso de precipitación-escurrimiento superficial-
infiltración involucra diversos fenómenos que pueden ser
analizados en forma individual.
El problema se presenta cuando se desea acoplar los
procedimientos seguidos para el estudio de cada proceso
con procesos que derivan de variables físicas distintas que
no siempre pueden ser medidas en forma directa.
Proceso Precipitación - Infiltración - Escurrimiento
En los métodos hidrológicos clásicos de cálculo de escorrentía es necesario:
Determinar la precipitación total
Determinar la precipitación efectiva, para lo cual es
necesario separar de la precipitación total la
precipitación que no colabora en la escorrentía
superficial
Determinar el hidrograma unitario
Realizar la convolución.
Modelo hidrológico conceptual Modelo hidrológico conceptual
Para decidir el modelo hidrológico conceptual de la cuenca hay que tener en cuenta que este puede ser agregado, distribuido o semidistribuido.
Los modelos agregados simulan el funcionamiento del sistema cuenca de forma global.
Los modelos distribuidos consideran la distribución espacial y temporal de todas las variables y características físicas de la cuenca involucrada en el proceso de simulación
Los modelos semidistribuidos, se pueden considerar como un caso intermedio de los dos anteriores, integrando un modelo agregado "n" veces, tantas como se divida la zona en subcuencas (González et al.,1998).
Modelo hidrológico conceptual Modelo hidrológico conceptual
Si existe disponibilidad de información limitada, es aconsejable concebir un modelo semidistribuido o cuasi-distribuido.
En general los modelos existentes ofrecen poca flexibilidad para la configuración de los escenarios de simulación a ejecutar.
La mayoría de ellos presentan características estáticas, exigiendo al usuario definir de antemano los procesos, métodos y parámetros que serán utilizados en la sesión de simulación.
Se observa la necesidad de proveer mayor flexibilidad a los modelos para la configuración de escenarios .
Proceso Infiltración - Escurrimiento
La elección de métodos de cálculo más sofisticados, donde intervienen mayor número de variables, con respecto a métodos más simplificados genera ventajas y desventajas.
Ventajas: Se tiene mayor precisión del proceso que se está analizando y por lo tanto los valores que se obtienen tienen menor incertidumbre
Desventajas: Requieren la determinación de un mayor número de variables las cuales a veces son de difícil obtención.
Modelo hidrológico conceptual Modelo hidrológico conceptual
Por otro lado, existen algunos modelos que buscan realizar simulaciones hidrológicas continuas o semicontinuas. Dentro de estos modelos se encuentra el módulo SMA en el programa HEC-HMS.
Modelo de humedad del suelo continua (SMA, Soil-moisture Accounting Model):
1. Simula la cuenca como una serie de almacenamientos en mantos. En cada uno de los reservorios en capas se considera la tasa de caudales de ingreso o salida, las capacidades de volumen de almacenamiento y las pérdidas.
2. Los diferentes reservorios del modelo son: intercepción elevada, intercepción superficial, perfil de suelo no saturado, agua subterránea
Modelos Pérdidas – HEC-HMS
Modelo de humedad del suelo continua (SMA, Soil-moisture Accounting Model)
3. Intercepción elevada: Es la precipitación retenida en el follaje de los árboles, arbustos y que no llega a la superficie del suelo.
4. Intercepción superficial: Es el agua retenida en las depresiones superficiales. Es el agua que no fue retenida por intercepción elevada, además ingresan a este reservorio los excesos de la tasa de infiltración.
Modelos Pérdidas – HEC-HMS
Modelo de humedad del suelo continua (SMA, Soil-moisture Accounting Model)
5. Perfil de suelo no saturado: Es el agua que se encuentra en el perfil del suelo.
6. Agua subterránea: Se divide en dos reservorios. El primer reservorio corresponde a la napa freática y el segundo reservorio al primer manto confinado o semi-confinado .
Modelos Pérdidas – HEC-HMS
Modelo de humedad del suelo
continua (SMA, Soil-
moisture Accounting
Model):
Este modelo no permite
considerar la histéresis del
suelo fenómeno que
genera una modificación
en la respuesta del suelo
frente a los ciclos de
humedecimiento y secado.
Modelos Pérdidas – HEC-HMS
Comentarios sobre modelos clásicos. SCS- CN
SCS - CN trabaja conceptualmente con valores promedio, lo que implica que existe espacio para alguna variabilidad, una cuenca debería poseer más de un número de curva.
Entre las fuentes probables de esta variabilidad están: 1) La variabilidad espacial de la tormenta y las
propiedades de la cuenca.2) La variabilidad temporal de la tormenta, la
intensidad de la tormenta.3) La calidad de los datos P-Q medidos4) El efecto asociado a la humedad antecedente. Es la
principal fuente de variabilidad, es decir la humedad antecedente AMC (SCS, 1985)
Comentarios sobre Modelo clásicos
En algunos casos, particularmente para precipitaciones bajas y/o números de curva bajos, el método SCS se vuelve muy sensible al CN y a la condición de humedad antecedente.
SCS-CN fue desarrollado usando datos regionales de cuencas agrícolas, la mayor parte del medio oeste de los Estados Unidos. La exactitud de los resultados obtenidos variará para diferentes biomas y regiones geográficas y climáticas.
El uso de sólo tres niveles de humedad resulta claramente insuficiente, puesto que las escorrentías obtenidas para cada estado de humedad difieren entre sí, siendo necesario el empleo de relaciones de mayor continuidad entre el CN y la precipitación antecedente o cualquier otro parámetro fácilmente estimable
Estudios para acoplamiento de modelos
Para mejorar la simulación hidrológica de la escorrentía superficial considerando en forma simultánea o secuencial el proceso de infiltración es necesario avanzar en los modelos que consideren ambos procesos.
Para resolver dicho problema se necesita avanzar especialmente en dos líneas: Mejor información del comportamiento del suelo frente a eventos de infiltración y secado Modelos que permitan incorporar en forma flexible y eficiente los procesos de infiltración y secado a los procesos de escorrentía superficial
Infiltración - determinación
La infiltración es el proceso de mayor importancia en cuanto a las pérdidas de precipitación. La aplicación de la ecuación de Richards (1931) con suficiente información produce resultados precisos para estimar la infiltración.
La determinación de la curva de humedecimiento del suelo es primordial para resolver problemas vinculados a las necesidades de agua de riego y las consideraciones ambientales con respecto al transporte de contaminantes y determinación de los excedentes hídricos.
Para acoplar la escorrentía superficial, a través de por ejemplo la
ecuación de Onda Cinemática, y el procesos de infiltración,
ecuación de Richards, el esquema de cálculo que se puede utilizar
es el siguiente:
Dado un hietograma y los datos de la cuenca, primero se descuentan
del hietograma las pérdidas iniciales (evapotranspiración,
retenciones en follaje, retenciones en depresiones, etc.). Luego en
el proceso de escurrimiento superficial es necesario introducir la
tasa de infiltración (f), que se puede calcular como:
donde θ ( t + t) es la humedad en el tiempo t + t y θ es función de h.
t
(h)-(h) =
t = f tt+tt
Acoplamiento de los procesos de escorrentía superficial e infiltración
Funciones Hidráulicas de los Suelos
La zona vadosa o no saturada es el nexo entre el agua
superficial y el agua subterránea. El proceso del flujo de agua
en esta zona es gobernado por la ecuación de Richards.
La ecuación de Richards necesita para su resolución que se
definan las funciones hidráulicas del suelo o se obtenga una
curva continua de humedad- succión, conductividad-succión.
Las funciones hidráulicas dependen de parámetros que
necesitan para su calibración de mediciones de humedad y
conductividad.
2) El perfil de humedad del suelo para cada paso de tiempo se
obtiene de la solución de la ecuación de Richards, para lo cual
se necesitan conocer las funciones hidráulicas del suelo de la
cuenca o las propiedades hidráulicas de los mismos.
Acoplamiento de los procesos de escorrentía superficial e infiltración
Curvas de humedecimiento en el suelo
Cuando se desea estudiar el escurrimiento de una cuenca
utilizando modelos de infiltración, es común enfrentarse al
problema de que existen pocos datos de las propiedades
hidráulicas de los suelos.
Sin embargo, en general, es posible contar con las curvas
granulométricas y no resulta demasiado complicado realizar
también otras mediciones geotécnicas simples con ensayos de
suelo tradicionales: medición de la humedad residual y la
humedad de saturación.
Los parámetros determinados mediante mediciones son
importantes y permiten obtener las funciones hidráulicas de los
suelos de la cuenca.
Curvas de humedecimiento en el suelo
Las curvas de humedecimiento – secado pueden ser
registradas con sensores de humedad los cuales deben ser
calibrados antes de su uso en campo.
Además existen otros instrumentales que permiten
monitorear la variación de humedad que sufre el suelo
frente a eventos de precipitación y secado.
Comportamiento del suelo durante periodo
Humedecimiento y secado en el suelo durante períodos largos CURVA DE HUMEDECIMIENTO - SECADO
0.000
0.050
0.100
0.150
0.200
0.250
0.300
0.350
0.400
111847 112847 113847 114847 115847 116847 117847 118847 119847
TIEMPO (min)
HU
ME
DA
D (
m3/
m3)
P1 P2 P3
CURVAS DE HUMEDECIMIENTO - SECADO
0.000
0.050
0.100
0.150
0.200
0.250
0.300
0.350
0.400
5880 10880 15880 20880 25880
TIEMPO (min)
HU
ME
DA
D (
m3/
m3)
P1 P2 P3
Comentarios - Modelos Hidrológicos Comentarios - Modelos Hidrológicos Unidimensionales Unidimensionales
Modelos unidimensionales (HEC-1) El escurrimiento se resuelve considerando valores
promedio sobre la subcuenca, tanto para la carga como para las características del suelo. Se puede adoptar en cada dt el valor de carga correspondiente al bloque de precipitación más los precedentes reducidos por la infiltración sufrida.
Esta simplificación permite trabajar el modelos de escorrentía superficial en manera secuencial con los modelos de infiltración, es decir, determinar la precipitación y posteriormente transitarla (cuidando que donde la infiltración sea importante durante el tránsito deberá subdividirse los tramos para afectarlos de la correspondiente corrección).
Comentarios - Modelos Hidrológicos Comentarios - Modelos Hidrológicos Unidimensionales Unidimensionales
Modelo bidimensional: en cada celda interconectada existe una carga
hidráulica exclusiva sujeta a variaciones particulares en lugar de un valor promedio generalizado, dejando en evidencia el mecanismo de acoplamiento.
Cuenca alta: debe tenerse en cuenta que el tiempo que se encuentra el agua sobre la superficie se ve afectado por la pendiente del terreno por lo cual debe ajustarse cuidado los valores correspondientes al tiempo en que la lámina de precipitación se encuentra efectivamente sobre el suelo.
Cuenca aguas abajo: la escorrentía superficial colaborará en la lámina que se encuentra efectivamente sobre el suelo.
Conclusiones
Para poder aplicar modelos que consideran ambos procesos
debe avanzarse en la caracterización de los suelos
fundamentalmente en lo vinculado a los procesos de
infiltración y las funciones de suelos (conductividad hidráulica
– succión y humedad –succión) y para ello es fundamental
los estudios sobre las características hidráulicas de los
suelos en su capacidad de transmitir el agua en especial en
el estrato de suelo subsuperficial y en el acuífero freático y
en este línea son necesarios los estudios de campo y la
aplicación de instrumental para el monitoreo de la humedad
durante largos períodos de tiempo.
Conclusiones
A pesar de los grandes avances existentes en el paradigma
de las simulaciones hidrológicas y el software existente, no
se cuenta actualmente con arquitecturas de software para la
construcción de nuevas aplicaciones en forma flexible que
permitan incorporar en forma eficiente la variedad de
situaciones que ofrece la naturaleza.
Sin lugar a duda el mejor modelo de la naturaleza es la
Naturaleza misma pero el esfuerzo por mejorar los modelos
hidrológicos nos ayudan a comprender su misterio.
GRACIAS POR SU ATENCIÓN