=
=
=
www.cienciadigital.org
=
Vol. 3, N°3.1, p. 115-126, julio - septiembre, 201
Desarrollo=
de un
modelo de precipitación escorrentía semi-distribuido
para la evaluación de los recursos hídricos del río Jalón
Development of a model of semi-distributed runoff
precipitation for the evaluation of the water resources of the Jalón River.
Daniel
Recibido:
29-04-2019
/ Revisado: 26-05-2019 /Aceptado: 28-06-2019/ Publicado: 15-07-2019
Abstra=
ct: <=
/span> DOI: https://doi.org=
/10.33262/cienciadigital.v3i3.1.680
The main goal of this study is =
the
water resources evaluation in the Jalon river basin, with 9718 km2, and the
study of the behavior of the Jalon system subbasins,
one of the most important tributaries of the Ebro River. For this goal, a semi-distribut=
ed rainfall-runoff
model has been developed, in order to evaluate the effects produced over the
studio basin based on the hydrological response of each hydrographic subbasin of the system. The employed model has been H=
BV,
conceptual semi-distributed model developed by the Meteorological and
Hydrological Institute of Sweden. The tool that has been employed in the mo=
del,
is RS Minerve 2.0, software that simulates
rainfall-runoff processes, being based on object-oriented programming. Finally, it is remarkable the c=
ontributions
generated by the model, as correctly validated, could be really useful in
upcoming jobs in hydrologic planning and management, ecological flow
management, demands guarantees estimations, etc. This contributions have been co=
mpared
with natural regime SIMPA model, developed by the Center for Studies and
Experimentation of Public Works (CEDEX) and used by the CHE, in order to
estimate whether they are overestimating or underestimating the contributio=
ns,
trying to find possible mistakes which they may be done. Keywords: Calibration, runoff, Jalón, modeling, =
Rs Minerve, sub-basin, validation. Resúmen: El estu=
dio
tiene como principal objetivo evaluar los recursos hídricos en la cuenca del
río Jalón la cual tiene una superficie de 9718 km2, con esto se pretende te=
ner
un conocimiento más a detalle desde el punto de vista hidrológico del
comportamiento de las subcuencas que se extienden a lo largo del sistema de
explotación del Jalón, la cual constituye uno de los principales afluentes =
del
río Ebro. Se empl=
eó un
modelo hidrológico precipitación-escorrentía (MPE) sem=
idistribuido
con el fin de evaluar los efectos que se producen sobre las características=
de
la cuenca en estudio en base a la respuesta hidrológica de cada subcuenca
hidrográfica que componen el sistema. El modelo utilizado fue el HBV que se
trata de un modelo conceptual semidistribuido
desarrollado por el Instituto Meteorológico e Hidrológico de Suecia. La
herramienta empleada para la modelación ha sido RS Min=
erve
2.0, software que simula los procesos de precipitación-escorrentía y se bas=
a en
la programación orientada a objetos. Finalme=
nte
destacar la importancia de las aportaciones generadas por el modelo, que si=
endo
validado resulta fundamental para posteriores trabajos en materia de gestió=
n y
planificación hidrológica, gestión de caudales ecológicos, estimación de
garantías de las demandas etc. Estas aportaciones han sido comparadas con l=
as
aportaciones en régimen natural del modelo SIMPA, desarrollado por el Centr=
o de
Estudios y Experimentación de Obras de Públicas (CEDEX) y empleado por la
Confederación Hidrográfica del Ebro (CHE), con el fin de estimar si ellos e=
stán
sobreestimando o infravalorando las aportaciones, es decir es posible
determinar los posibles errores que se pueden estar cometiendo. Palabras claves: =
Calibración,
escorrentía, Jalón, modelación, Rs Minerve, subcuenca, validación. El agua constituye en la actualidad un
recurso no renovable indispensable para el desarrollo de la vida y a la vez=
una
de las principales materias primas en la mayoría de los procesos productivo=
s,
por tal razón surge la necesidad de implantar mecanismos para la gestión y
planificación del recurso hídrico mediante la aplicación de acciones tanto
estructurales (construcción de infraestructura) como medidas no
estructurales(medidas que promuevan la eficiencia de uso del agua y tecnolo=
gías
que disminuyan el riesgo hídrico). Dentro de la hidrología los modelos
hidrológicos constituyen una herramienta que merece especial importancia pa=
ra
la gestión y planificación de los recursos ambientales e hídricos. Dada la
exigencia en cuanto a la capacidad predictiva que un modelo conlleva, hoy en
día existe la necesidad de fortalecer los modelos existentes. A lo largo de la historia la modelación h=
idrológica
ha ido cambiando continuamente, desde el Método Racional (Mulvany
et al., 1850) a modelos físicos distribuidos (Wigmosta=
et la., 1994; Abbott et al., 1986b; Refsgaard et al., 1995; Ewen et al., 2000; Benoit et =
al.,
2000; Bates et al., 2000; De Roo et al, 2000; Vivoni
et al., 2003).Durante el mismo período, se desarrolló el hidrograma unitario
simple (Sherman, 1932), modelos de entrada y salida actualmente llamados
modelos basados en datos, mismos que han evolucionado a modelos de redes
neuronales artificiales (García, 2001). La elección del modelo más apropiad=
o es
una tarea difícil dado que cada modelador intenta persuadir y a la vez prom=
over
su programa desarrollado. Los modelos hidrológicos son representaci=
ones
conceptuales y simplificadas de una parte del ciclo hidrológico, generalmen=
te
son usados para la predicción y comprensión de los procesos hidrológicos qu=
e se
llevan a cabo en la naturaleza. Estos toman especial importancia cuando se
evidencia la carencia de base de datos que establezcan las características =
de
la línea base (iniciales) y determinen de esta manera los impactos a largo
plazo. Los modelos a su vez son capaces de simular los procesos hidrológico=
s en
el espacio y serie de temporal deseada (De vos et al, 2006; Taffese.,
2011). El modelo hidrológico empleado en el estu=
dio
para la evaluación de los recursos hídricos es el HBV (Bergstrom
et al., 1995; Lindstrom et al., 1197)) se ha el=
egido
este modelo debido a que no tiene gran cantidad de parámetros, satisfaciendo
así el principio de parsimonia y constituyendo un modelo robusto y versátil=
. El software empleado en la modelación fue=
RS-Minerve (García et al., 2013, Jo=
rdan
et al., 2010) mismo que simula la formación y propagación de la escorrentía
superficial y capaz de modelar redes hidráulicas e hidrológicas complejas de
acuerdo a un esquema semidistribuido conceptual=
, ha
sido utilizado para diferentes estudios en varios países. El objetivo principal del presente estudi=
o es
evaluar el recurso hídrico disponible en la cuenca del río Jalón que tiene =
un
área de 9718 km2 aproximadamente, mediante el uso de modelos de
precipitación-escorrentía (MPE) teniendo como primicia el análisis y
diagnóstico de la gestión del sistema. Además, una vez desarrollado el mode=
lo
se compara las series de aportaciones generadas con las aportaciones
provenientes del modelo SIMPA (Simulación Precipitación-Aportación) que es =
el
empleado por la confederación hidrográfica del Ebro para el estudio de las
aportaciones en régimen natural con el fin de establecer un juicio crítico =
para
determinar si el organismo en cuestión sobreestima o subestima los recursos
disponibles para la posterior gestión del fluido en el medio. Metodología La elaboración de
modelos de precipitación-escorrentía (MPE) requiere de información necesari=
a e
indispensable para la ejecución del mismo, la cual debe caracterizarse por =
ser
representativa de la cuenca a modelar, por tal motivo, los datos disponibles
atraviesan una etapa de tratamiento y depuración para posteriormente
procesarla. En la Figura 1 se
especifica el procedimiento que se ha seguido para la elaboración, calibrac=
ión
y validación del MPE. Figura 1.<=
/span>
Metodología empleada para el desarrollo del modelo Inputs=
de
entrada: Los datos de precipitación y temperatura=
se
obtuvieron a partir de la base de datos del proyecto S=
pain
02 v2.1,[18], los datos resultan de una serie de interpolaciones empleando =
el
método de krigeado. En cuanto a la evapotranspi=
ración
se empleó el modelo de Hargreaves (Hargreves, 1=
985). (1) Donde: Kc es el
coeficiente de cultivo, ETo la evapotranspiraci=
ón
potencial, la Eto se calcula en función de la
radiación solar incidente, del coeficiente de cultivo y de las temperaturas
máximas y mínimas, mediante la Ec. 2: (2) Donde: ETo es la evapotranspiración potencial diaria (de
referencia) (mm/dia) T la temperatura media dia=
ria
(C), Tmax la temperatura máxima diaria (C), Introduccion
Importancia del problema
El coeficiente de
cultivo se determinó en función de la cobertura vegetal del mismo, empleand=
o la
información que viene dado en la base de datos de usos de suelos de Corine_=
2006
(Coordination on
Aplica=
ción
del modelo HBV: El modelo HBV (Figura =
2)
tiene 3 principios fundamentales: la acumulación y el derretimiento de la
nieve, la humedad del suelo, el ciclo fluvial de los ríos y la respuesta de=
los
mismos respecto al proceso que se genera en la cuenca. Se basa en una
modelación a través de tanques o reservorios en el cual cada uno presenta
ciertas características específicas entre las que destacan el umbral para la
producción de escorrentía, constantes que conceptualizan la velocidad con l=
a que
se propagan los procesos. Este modelo utiliza la precipitación, la temperat=
ura
y la evapotranspiración potencial como parámetros de entrada a partir de los
cuales se estima la producción de escorrentía a través de la cuenca.
|
|
(3) |
Donde: Qr es la escorrentía directa (m<=
sup>3/s),
Qu es el flujo procedente del reservorio superior (m3/s) y Ql el flujo base (m3/s).
Figura 2.<=
/span>
Conceptualización del modelo HBV=
Régime=
n de
Aportaciones, calibración y validación del modelo: Se ejecutó el modelo HBV a través del software Rs
Minerve con los respectivos datos meteorológico=
s,
generando así el régimen de aportaciones para el periodo 1987-2007 (20 años
hidrológicos) para cada subcuenca del sistema de explotación del río Jalón.=
Previo al periodo =
de
calibración se realizó una fase de calentamiento (3 años) con el fin de
establecer las condiciones iniciales del suelo para cada una de las subcuen=
cas
del sistema y minimizar así los efectos que podrían ocasionar en la etapa de
calibración.
La calibración de =
las
subcuencas (12 años) se lo realizó en función de los caudales registrados en
las estaciones de aforo existentes en la cuenca (39 estaciones de la Red
Oficial de Estaciones de Aforo (R.O.E.A)) que corresponden a la desembocadu=
ra
de los diferentes subsistemas hídricos que componen el sistema del río Jaló=
n.
Finalmente se real=
izó
una etapa de validación del modelo (5 años) en donde se evaluó la funcional=
idad
y eficiencia del HBV.
Tanto para la
calibración como validación del régimen de aportaciones (caudales) generados
por el modelo HBV se empleó una función objetivo (FO) (enfatizan los difere=
ntes
aspectos y características de un hidrograma y al mismo tiempo establecen de
manera aproximada el rendimiento del conjunto de parámetros seleccionado ),=
que
sea capaz de reproducir adecuadamente los caudales registrados en las
estaciones de aforo, de este modo se estima la incertidumbre de las series =
de
caudales determinados por el modelo desarrollado.
|
|
(4) |
Donde: F1 - Índice=
de
Nash: Estima el error cuadrático medio de la varianza normalizada observada,
dando el peso más significativo a grandes errores, los cuales no necesariam=
ente
ocurren en períodos de gran cantidad de flujo.
|
|
(5) |
F2- Indice de Nash – in (Logarítmico): Transforma flujos =
que
conllevan grandes pesos en errores durante flujos bajos.
|
|
(6) |
F3- Coeficiente de correlación de Pearson: Mide=
la covarianza
de los simulados y observados.
|
|
(7) |
F4 - Bias Score: Me=
dida
simétrica entre el promedio de los valores simulados y el promedio de los de
los valores observados.
|
|
(8) |
En la Tabla 1 se presenta un resumen
detallado de los periodos bajo los cuales se desarrolló la calibración y
validación para cada una de las subcuencas del sistema de explotación del r=
ío
Jalón (Figura 3), además se detalla los resultados de la función objetivo
global en base a los cuales se establecieron los juicios críticos para
determinar la validez del MPE desarrollado para obtener el régimen de
aportaciones para la serie hidrológica 1985 – 2007.
Figura 3. MPE desarrollado para el sistema de explotación del =
río
Jalón a partir del cual se obtuvieron el régimen de aportaciones
Tabla 1: Resumen de las Calibraciones y validaciones del mode=
lo
MPE para el sistema de explotación del río Jalón.
|
E AFORO<=
/b> |
UNIDAD |
PERÍODO CALIBRA=
CIÓN |
FO |
PERÍODO VALIDAC=
IÓN |
FO |
|
SISTEMA JILOCA<=
/span> |
|||||
|
Pancrudo Navarrete |
912 |
1986-2001 |
0.8001 |
2001-2006 |
0.7206 |
|
Daroca |
908 |
1986-2001 |
0.9351 |
2001-2006 |
0.8804 |
|
Morata |
909,911<=
span
lang=3DES style=3D'font-size:10.0pt;mso-fareast-font-family:"Times New Ro=
man";
color:black;mso-font-kerning:0pt;mso-ansi-language:ES;mso-fareast-languag=
e:
ES'> |
1986 – 2001 |
0.6408 |
2001-2006 |
0.7495 |
|
SISTEMA PIEDRA<=
/span> |
|||||
|
Járaba |
905 |
1987-2001 |
0.7539 |
2001-2006 |
0.6570 |
|
Nuévalos |
901,902<=
span
lang=3DES style=3D'font-size:10.0pt;mso-fareast-font-family:"Times New Ro=
man";
color:black;mso-font-kerning:0pt;mso-ansi-language:ES;mso-fareast-languag=
e:
ES'> |
1984-1997 |
0.8293 |
1997-2000 |
0.7005 |
|
Tranquera |
906 |
1987-2001 |
0.7518 |
2001-2007 |
0.7968 |
|
SISTEMA MANUBLE=
S |
|||||
|
Ateca |
816 |
1989-2000 |
0.7900 |
2000-2006 |
0.5988 |
|
SISTEMA ARANDA<=
/span> |
|||||
|
Maidevera |
823 |
1991-2002 |
0.7385 |
2002-2007 |
0.7758 |
|
SISTEMA JALÓN |
|||||
|
Barrio Blanco |
813 |
1996-2003 |
0.7803 |
2003-2007 |
0.8184 |
|
Jubera |
801 |
1987-2001 |
0.8479 |
2001-2007 |
0.8565 |
|
Ateca |
803 |
1987-2001 |
0.777 |
2001-2007 |
0.8799 |
|
Calatayud |
804,91 |
1994-2001 |
0.8905 |
2001-2007 |
0.8510 |
|
Chodes |
806,817,819 |
2000-2005 |
0.8554 |
2005-2008 |
0.6675 |
|
Grisen |
807,821,822,82<=
/span> |
1987-1998 |
0.8309 |
2004-2007 |
0.6745 |
|
4,825,827 |
Figura 4. a) Sistema de Explotación del Río Jalón, b) Calibrac=
ión
del río Jiloca, c) Calibración del río Piedra, d) Calibración del río Manubles, e) Calibración del río Isuelas,
f) Calibración del sistema en conjunto del sistema de explotación del río J=
alón
Según el análisis de calibración del mode=
lo de
precipitación y escorrentía, y considerando los valores de la función objet=
ivo
(Figura 4), se deduce los mejores ajustes se obtuvieron sobre todo en aquel=
las
subcuencas de cabecera, mismas que no abarcaban una gran extensión y que a =
la
vez no se veían afectadas en gran medida por las detracciones de agua para
satisfacer demandas ya sea de tipo agraria, urbana o industrial. Las cuenca=
s de
cabecera al encontrarse en régimen natural facilitaron y favorecieron el aj=
uste
y calibración adecuada de los caudales simulados frente a los observados. U=
na
vez conocido en cierto grado la naturaleza y el comportamiento de la zona
mediante la aplicación del modelo HBV, a partir de las respuestas
(aportaciones) obtenidas en cada sistema mediante el software Rs Minerve, se comparó co=
n las
aportaciones resultantes del modelo SIMPA (Simulación Precipitación-
Aportación), desarrollado por el Centro de Estudios Hidrográficos del Centr=
o de
Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX), que es el modelo que
emplea la Confederación Hidrográfica del Ebro para la gestión y evaluación =
de
los recursos hídricos en régimen natural para determinar las aportaciones d=
el
sistema de explotación del río Jalón.
Como se muestra en la Figura 5, las
aportaciones del modelo SIMPA durante el periodo analizado (1950-2006) se
encuentran casi en su totalidad por encima de las del modelo HBV, estas en
varios casos como en el año hidrológico 1987 se encuentran sobreestimando l=
os
caudales circulantes en el sistema en gran proporción siendo junio/ del año
hidrológico 1987 el punto de mayor diferencia entre los dos modelos (91.47 =
Hm3/mes).
En toda la serie se evidencia que los picos de caudales distan en la mayorí=
a de
los casos aproximadamente 15 Hm3/mes. Para el caso de la estimación de caud=
ales
bajos estos se correlacionan más entre sí, siendo en este caso que las
aportaciones del modelo HBV se encuentran en todo momento en igualdad o
ligeramente inferiores a las estimaciones realizadas por el modelo SIMPA.
Figura 5. Aportaciones anuales del Sistema de
Explotación del río Jalón
· =
En este estudio se desarrolló la
evaluación de los recursos hídricos del sistema del río Jalón a través de la
aplicación de modelos de precipitación-escorrentía en forma semidistribuida
empleando la herramienta Rs Minerve
2.0 la cual mediante el modelo HBV permitió analizar el comportamiento de l=
os
recursos hídricos, flujos superficiales, subterráneos e influencia que ejer=
cen
las estructuras de regulación en todas las subcuencas que forman parte del
sistema de explotación.
·&nb=
sp;
Los resultados del análisis en desem=
bocadura
calibrados y validados (0.83 y 0.67 respectivamente) del sistema de explota=
ción
del río Jalón fueron buenos a pesar de la incertidumbre que conllevan los M=
PE y
de los errores sistemáticos de calibración mientras más aguas abajo nos
encontramos en el sistema, esto debido a las alteraciones que se derivan de=
los
embalses, y a las importantes detracciones de agua para satisfacer las
demandas.
·&nb=
sp;
Realizado el análisis se deduce que =
el
modelo SIMPA se encuentra sobreestimando los caudales, mismas que pueden te=
ner
repercusiones al momento de la gestión de la demanda, dado que al
hipotéticamente disponer de más recursos se podría asignar los mismos a otro
tipo de demandas, sin embargo si en la realidad estas aportaciones estimada=
s no
se cumplen se podría generar fallos en el sistema, razón por la cual se debe
tener cuidado al momento de tomar decisiones, en la planificación y gestión=
de
los recursos, teniendo en cuenta que siempre debemos estar del lado de la
seguridad.
· =
Finalmente, hay que señalar que los =
modelos
de precipitación constituyen una herramienta indispensable en la gestión de=
los
recursos hídricos, las aportaciones generadas por los MPE generalmente se
emplean como entradas a los modelos de gestión cuyo objetivo principal es la
estimación de garantías de suministro a las demandas, predicción de avenida=
s,
gestionar adecuadamente los recursos, entre otras. Además, es importante
recordar que la efectividad del modelo y su capacidad de predicción depende=
n en
gran parte de la forma y circunstancias bajo las cuales fueron elaboradas y
principalmente de la comprensión y entendimiento de los procesos hidrológic=
os
que se desarrollan en la cuenca que se está estudiando.
Agradecimiento
·&nb=
sp;
A la Confederación Hidrográfica del =
rio
Jalón, por ser el ente que facilitó el régimen de aportaciones para el dearrollo del modelo.
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es de
exclusiva responsabilidad de los autores y no necesariamente reflejan el
pensamiento de la Revista Ciencia
Digital.
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[1] Escuela Superior
Politécnica de Chimborazo, Chimborazo, Ecuador, daniel.chuquin@espoch.edu.e=
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[2] Escuela Superior
Politécnica de Chimborazo, Chimborazo, Ecuador, nelson.chuquin@espoch.edu.ec
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[3] Escuela Superior
Politécnica de Chimborazo, Chimborazo, Ecuador, juan.chuquin@espoch.edu.ec
= [4] Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Chimborazo, Ecuador, lidia.castro@espoch.edu.ec<= o:p>
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[5] Escuela Superior
Politécnica de Chimborazo, Chimborazo, Ecuador, ccepeda@espoch.edu.ec
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www.cienciadigital.org
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