Hidrologia “Resumen artículo” Presentado por: Juan David Mejia Martínez
Código: 1.094.954.933
Modelación del comportamiento Hidrológico de tres cuencas en el Urabá Antioqueño – Colombia En este artículo se muestra el modelamiento del comportamiento hidrológico de las cuencas de los ríos Turbo, Guadualito y Currulao localizadas en la región de Urabá (Colombia), para el cual se utiliza información hidroclimatológica escasa (precipitación y caudal), para lo cual se calibra un modelo lluvia-escorrentía agregado (“Modelo de Tanques”) a escala diaria en cada una de las tres cuencas, el cual puede ser utilizado para la simulación de escorrentía en cuencas no instrumentadas con estaciones de caudal en dicha región, además, se estudian los campos promedios anuales de precipitación y evapotranspiración en la región, los cuales son utilizados para el cálculo de caudales medios multianuales empleando el método de balance hidrológico de largo plazo, al cual se le calcula la incertidumbre asociada a la propagación de errores debido a la aplicación de los métodos de interpolación de lluvia y cálculo de la evapotranspiración. El alcance de este estudio es determinar la variabilidad espacial y temporal de la oferta hídrica superficial en estas cuencas, como una primera aproximación del uso óptimo de la oferta hídrica superficial para abastecer las demandas actuales y futuras que tiene la región, además de permitir estimar valores de la recarga que son usados para el modelamiento de acuíferos de la región. Para lograr este fin se ha utilizado un modelo agregado de simulación diaria de caudales, dada la limitación de información existente para la calibración de un modelo distribuido (a escala mensual o superior), debido a que la zona de estudio no está dotada de obras de almacenamiento que permitan regular el caudal. Este modelo de simulación de caudales es apoyado en los campos de precipitación y evapotranspiración promedios de la región, con el uso de interpolación de datos puntuales y otros métodos descritos más adelante validados en el balance hídrico a largo plazo. Para los valores de la interpolación de datos (precipitación, evapotranspiración), el balance hídrico y los métodos utilizados, es calculada la incertidumbre, lo que más adelante permitirá validar la información obtenida. Para el modelamiento del comportamiento hidrológico de las cuencas de la región se utilizó información adquirida en el IDEAM (Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales), donde a través de información de 16 estaciones de la región fue utilizada para la estimación de los campos promedios de precipitación y 4 de estas estaciones su usaron también para la simulación de caudales con el modelo lluvia escorrentía donde la resolución temporal de las series de caudal es diaria. El modelo de lluvia-escorrentía utilizado es decir el “Modelo de Tanques” es un modelo que representa la producción de escorrentía superficial en una cuenca mediante cuatro tanques o niveles de almacenamiento conectados entres si, el modelo representa los procesos determinantes de la producción de escorrentía:
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infiltración de agua en las plantas, detención de agua en los charcos, infiltración, evapotranspiración, recarga del acuífero y escorrentía superficial, subsuperficial y flujo base. El tanque 1 (T1), es el tanque de almacenamiento capilar el cual representa la intercepción de las plantas, la detención de agua en los charcos y el agua que se detiene en el suelo por la acción de las fuerzas capilares, de este tanque solo sale agua producto de la evapotranspiración (Yi) y no contribuye a la escorrentía superficial; El tanque 2 (T2), representa el agua que fluye por la ladera o escorrentía directa, la cantidad de agua que entra en este almacenamiento está relacionada con la capacidad del suelo de dejar pasar agua en su interior (Ks); El tanque 3 (T3), representa el agua almacenada en la capa superior del suelo mientras fluye lentamente a la red de drenaje, se tiene una cantidad de agua gravitacional (X3) que se mueve vertical mente al interior del suelo y de esta una parte (X4) podrá percolar a la capa interior del suelo la cual tiene una capacidad de percolación representativa (Kp), el resto del agua se deriva al almacenamiento superior del suelo donde se convertirá en flujo superficial; El tanque 4 (T4), representa el almacenamiento de flujo subterráneo, donde de la cantidad de agua que ingresa por percolación (X4) sale un porcentaje que sigue hacia las perdidas subterráneas (X5) y el resto es derivado hacia el almacenamiento subterráneo (T4). Para la estimación de la variabilidad espacial, se utilizaron dos técnicas de estimación espacial estocástica: Kriging Ordinario (KO) y Kriging con Deriva Externa (KDE), las cuales se implementaron a través del software HidroSIG 3.1. Utilizar un algoritmo de estimación de la variabilidad espacial, resulta ventajoso en este caso debido a que es posible estimar la incertidumbre e implemente algunas técnicas multivariadas por ejemplo KDE que permite incorporar variables densamente muestreadas al estudio, lo que resulta ventajoso en una zona con información limitada, aunque cabe aclarar que la calidad de un campo de precipitación está asociada con la cantidad, calidad y distribución de datos que se tengan. Inicialmente se estimó un campo de precipitación media anual usando el algoritmo KO y posteriormente se calculó un campo de precipitación con el método KDE usando como mapa de derivas el MDE de la zona de estudio, el cual relaciona la elevación con la precipitación y tiene en cuenta los efectos orográfico. Finalmente empleando como deriva el mapa de de precipitación promedio obtenido de TRMM, estudio que resulta parecer inadecuado para determinar la precipitación media, debido a la intermitencia de datos y las escasa longitud de estos, pero investigaciones de Álvarez (2007) demuestran que en realidad los estudios TRMM resultan muy representativos para el caso. Para la estimación de la variabilidad espacial de la evapotranspiración se utilizaron varios métodos empíricos: El primero el Metodo de Cenicafé – Budyko, permite calcular la evapotranspiración potencial en función sobre la elevación del nivel del
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mar, el Método de Turc se basa en un balance de masas, en función de elementos como la temperatura y la precipitación de la cuenca, el Método de Choudhury a su vez calcula la evaporación real anual a través de variables como la precipitación y el equivalente de agua de la radiación neta (mm/año). El balance hidrológico se presentó como una herramienta para la validación de la precipitación y evapotranspiración, comparando valores obtenidos por este método y el caudal promedio adquiridos por las estaciones, éste utiliza las ecuaciones de conservación de masa de agua en un sistema o volumen de control. El caudal promedio Q puede estimarse según la ecuación en UNAL-CTA (2001) relacionando la precipitación media multianual y la lámina de agua que se pierde por evapotranspiración real. De los estudios anteriores con respecto a la precipitación se obtiene que del método KDE utilizando como deriva el mapa TRMM se obtienen mejores resultados que los que se obtiene con la altura mediante MDE. Igualmente la incertidumbre es menor cuando se usa KDE con deriva del mapa TRMM que con el método KO, razón por la cual se presenta este mapa como representativo del campo de precipitación media multianual en la región de estudio. Por otro lado con base a la metodología expuesta se realizaron los mapas de evapotranspiración por cada uno de los métodos propuestos utilizando como deriva el mapa TRMM, se evidencio que el método de Turc y Choudhury presentan los mejores resultados mientras que el método de Cenicafé – Budyko presenta la mayor desviación, aunque en ninguno de los casos se pudieron obtener valores de incertidumbre menores al 40% en la estimación del balance hídrico en las tres cuencas analizadas. Finalmente se construyeron campos de precipitación y evapotranspiración promedio multianuales de la región estudiada, los cuales fueron validados mediante el método de balance hidrológico a largo plazo. Se mostró que el modelo lluvia escorrentía utilizado “Modelo de Tanques” logro demostrar de manera aceptable las series de caudal de las estaciones el Tres (Rio Guadualito) y Currulao, mostrando que para cada uno de los parámetros del modelo los valores obtenidos son similares en estas dos cuencas vecinas. Por otro lado en la cuenca tributaria a la estación el Dos (Rio Turbo) no se logró una calibración satisfactoria. Podemos decir que la principal causa de incertidumbre en el cálculo de campos promedio multianuales de precipitación está dada por el escaso número de estaciones que miden estas variables en la zona, razón por la cual se requiere mejor instrumentación en la región para estimar los campos promedio de precipitación con menor incertidumbre.
