HEC-H HEC-HMS MS.. Manu Manual al elemental (versió (vers ión n 3) 3) 1. Introducción HMS es un programa complejo que calcula el hidrograma producido por una cuenca si le 1 facilitamos datos físicos de la cuenca, datos de precipitaciones, etc. Las diversas fases de trabajo del programa pueden esquematizarse así:
HMS permite establecer varias subcuencas. El programa realiza los cálculos de las tres primeras fases (A, B, C) para cada subcuenca , y calcula la última fase (D) para cada tránsito a lo largo de un cauce 2 (la evolución del hidrograma que, generado en una subcuenca, circula por otra distinta). Al final suma todos los caudales generados y transitados a lo largo del recorrido y nos proporciona (en tabla y en gráfico) el hidrograma en la salida de la cuenca. 1
Se puede bajar gratuitamente de http://www.hec.usace.army.mil/software/hec-hms/ no a la versión Este manual se refiere refiere a HEC-HMS 3.0.0, no a v ersión HEC-GeoHMS HEC-GeoHMS 1.1, que se utiliza con ArcView 2
El último hidrograma estaría desplazado en el tiempo (hacia la derecha) respecto al hidrograma que aparece sobre él.
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Este pequeño manual pretende solamente ayudar a dar los primeros pasos. No intentamos describir todas las facetas y posibilidades del programa y tampoco vamos a explicar aquí los diversos métodos hidrológicos que incluye HMS. Para una utilización avanzada del programa, además de los lógicos conocimientos sobre los fundamentos hidrológicos, son imprescindibles los textos facilitados 3 por los desarrolladores del programa :
Quick Start Guide: Guía para empezar a utilizarlo. utilizarlo. (51 pp.)
User's Manual: Descripción del programa y manual de utilización (260 pp.)
Applications Guide: Aplicación del programa a diversos campos de estudio.
Technical Reference Manual: (No asustarse por el nombre, éste es el imprescindible para trabajar con HMS). Refiere todos los métodos y fórmulas comprendidos dentro de HMS.
Los dos primeros están actualizados para la versión 3.0.0, a la que se refiere este manual, los dos últimos no han sido modificados con la aparición de esta última versión, pero probablemente no era necesario, ya que tratan de aspectos fundamentales que no han cambiado. El presente texto es, en realidad, lo que suele denominarse “Tutorial”: “Tutorial”: tras una breve introducción (el siguiente apartado), está estructurado en un serie de Ejemplos. El primer ejemplo es el caso más sencillo posible, y después cada ejemplo sucesivo va introduciendo alguna complicación. Por tanto, está pensado para seguirlo de forma secuencial. secuencial. Si empezamos por el Ejemplo 3, porque ya tenemos algunas nociones, puede ser que algunas frases no tengan mucho sentido porque se refieran al ejemplo anterior. Después de seguir paso a paso cada ejemplo, se debería realizar otro proyecto similar con otros datos diferentes, para familiarizarnos con lo que hemos aprendido, antes de antes de seguir adelante.
2. Compo nentes d e un Proyect o en HMS HMS Para comenzar a utilizar HMS debemos abrir un nuevo Proyecto. Dentro del Proyecto se guardan todo tipo de datos de la cuenca, de las precipitaciones, etc. Los componentes básicos de un Proyecto son los siguientes:
Vamos a hacer una breve descripción de cada componente, y en los ejemplos siguientes veremos su manejo:
(
)
Aquí informamos al programa de las distintas subcuencas y sus características. Un proyecto muy sencillo puede tener una sola subcuenca. Lo habitual es que tenga varias.
En cada subcuenca , HMS realiza las tres primeras etapas de cálculo (A, B y C) que resumíamos en el esquema de la primera página; en cada una de ellas debemos elegir el procedimiento a seguir y darle los datos necesarios. (Veremos esto en el Ejemplo 1) Al circular por otra subcuenca , HMS calcula la evolución del hidrograma generado en una subcuenca al transitar por por la subcuenca siguiente (fase D del esquema inicial). 3
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Los diversos métodos para las cuatro fases indicadas se explican en el Technical Reference Manual, respectivamente en los capítulos siguientes: Chapter 5: Computing Runoff Volume Chapter 6: Modeling Direct Runoff Chapter 7: Modeling Baseflow Chapter 8: Modeling Channel Flow
Modelo meteorológico (Meteorological Model)
A cada modelo meteorológico le asignaremos uno o más pluviómetros. Podemos utilizar precipitaciones reales o precipitaciones teóricas, tormentas de diseño. (Los pluviómetros se crean previamente y se introducen sus datos en el Time-Series Data Manager) Si utilizamos varios pluviómetros habrá que indicarle sus coordenadas para que HMS haga la media para cada subcuenca. Si nosotros ya hemos e valuado la precipitación media de la subcuenca, se la asignamos a un solo pluviómetro: HMS aplicará esas precipitaciones a toda la superficie de la subcuenca. Es habitual utilizar varios modelos meteorológicos con el mismo modelo de cuenca, para estudiar los caudales que se producirían generados por diferentes precipitaciones sobre la misma cuenca. Especificaciones de control (Control Specifications)
Se trata simplemente de indicarle cuando debe empezar y terminar de computar y el incremento de tiempo (Timeinterval) Por ejemplo: si en el modelo meteorológico hemos indicado que ha llovido desde las 2:00 hasta las 7:00, lo normal sería que le hiciéramos calcular desde las 2:00 hasta las 9:00, porque si la precipitación cesa a las 7:00 hay que permitir que el caudal generado llegue a la desembocadura de la cuenca (eso dependerá del tiempo de concentración, en este ejemplo le hemos dejado dos horas más, de 7:00 a 9:00) El incremento de tiempo ( Timeinterval) es para indicar cada cuanto tiempo debe realizar el cálculo: si hacemos TimeInterval = 5 minutos, HMS calculará el hidrograma resultante para puntos separados de 5 en 5 minutos. Este valor no debe ser muy grande (si es mayor del 29% del lag de la subcuenca, HMS protesta).
3. Ejempl o 1 Primer ejemplo muy simple: una sola subcuenca, no hay flujo base y disponemos de datos de precipitación neta. De las cuatro fases indicadas en la primera página solamente es preciso abordar la fase B (convertir P neta en escorrentía directa).
3.1. Datos d el pr obl ema 2
Cuenca de 32 km (No distinguimos ninguna subcuenca). Hemos calculado el tiempo de concentración en 155 minutos. Sobre ella cae la siguiente precipitación neta (ya la hemos separado de la P total): 2:00 - 3:00 = 5.1 mm 3:00 - 4:00 = 2.8 mm 4:00 - 5:00 = 0.0 mm 5:00 - 6:00 = 3.0 mm Previamente a esta precipitación, el cauce estaba seco (no había caudal base).
3.2. Primeros pasos Abrimos el programa.
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File>NewProject... Creamos un proyecto. En la primera casilla le damos un nombre (por ejemplo: Ejemplo_1) y en la casilla Location indicamos dónde guardar.
El espacio de trabajo está dividido en varias partes:
•
En el Explorador de Cuenca 4 irán apareciendo los distintos elementos que vayamos creando: subcuencas, datos meteorológicos, etc.
•
Editor de Componentes : Cuando picamos en uno de los elementos del “Explorador de Cuenca”, debajo aparecen los parámetros correspondientes a ese elemento. En la figura puede verse que al picar en Cuenca Ej-1, debajo han aparecido sus características.
•
El Escritorio es el panel de trabajo donde situamos las subcuencas, cauces, embalses, etc.
3.3. Modelo d e Cuenca Creamos el modelo de cuenca: Components>BasinModelManager>New... En la primera casilla le damos un nombre (por ejemplo: CuencaEj-1). En el Explorador de cuenca ha aparecido una nueva carpeta:
4
Imagino que ha recibido este nombre por su similitud con el “Explorador de Windows”, en el que las carpetas se abren y cierran mostrando su contenido en forma de árbol. F. Javier Sánchez San Román - Dpto. Geología - Univ. Salamanca (España)
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Abrimos esta carpeta BasinModels picando en el signo + y aparece la cuenca que hemos creado:
Hacemos doble clic sobre la cuenca y a la derecha aparece una ventana en blanco. Es el Escritorio, el panel donde vamos a situar todos los elementos del modelo: subcuencas, embalses, cauces, etc...
En este ejemplo hay una sola subcuenca. Para crearla picamos arriba en el botón: y después picamos en cualquier punto de Escritorio. Aparece un cuadro donde nombramos la subcuenca, por ejemplo: SubcuencaUnica , y el icono de la subcuenca aparece en el panel de trabajo: Ahora en el Explorador de cuenca abrimos el contenido de la Cuenca (picando en ), luego abrimos la subcuenca, y resulta esto:
Bajo la subcuenca aparecen las opciones predeterminadas por el programa: 1. Para calcular qué parte de la precipitación es precipitación neta 2. Para transformar esa precipitación neta en caudal 3. Para sumar al hidrograma resultante el caudal base Vamos a cambiar las dos primeras. Esto se hace abajo, en el Editor de componentes. Usaremos ambos paneles constantemente. Cada vez que arriba picamos en un elemento, abajo aparecen sus características. Picamos arriba en abajo aparece lo siguiente:
y
Lo primero: escribimos la superficie de la 2 cuenca, para este ejemplo es de 32 km . 1. Picamos en el cuadro de LossMethod(donde ahora aparece InitialandConstant). Como en este ejemplo ya vamos a introducir P neta, elegiremos la opción --None-- para que no realice ningún cálculo y considere toda la precipitación como neta. 2. Picamos en el cuadro de TransformMethod (donde ahora aparece ClarkUnitHydrograph). Elegimos la opción SCSUnitHydrograph. Sin salir del Editor de componentes, picamos en la pestaña Trasform, y como hemos elegido el método del SCS para transformar la precipitación neta en caudal, nos solicita solamente el lag en minutos. Según este método, el lag (tiempo que transcurre desde el centro de gravedad de la P neta hasta la punta del hidrograma) es aproximadamente igual a 0,6 x tiempo de concentración. Por tanto, 155 x 0,6 = 93 minutos. (t concentración =155 min. es un dato del problema). 3. La tercera característica de la subcuenca (que aparece arriba como Nobaseflow) se refiere al modo de añadirle al hidrograma resultante de la precipitación el caudal base que tenía la cuenca antes F. Javier Sánchez San Román - Dpto. Geología - Univ. Salamanca (España)
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de la crecida, y que debe continuar por debajo del hidrograma de crecida. Como en este ejemplo no existía escorrentía básica previa (el cauce estaba seco antes de la lluvia), en la casilla BaseflowMethod dejamos la opción --None--,indicando que no existe flujo base.
3.4. Datos de precipi taciones Antes de crear el Modelo Meteorológico, vamos a introducir los datos pluviométricos, en este ejemplo en un único pluviómetro. Para ello hacemos: Components>TimeSeriesDataManager>New...Aparece un cuadro en el que podemos introducir datos diversos (precipitación, evapotranspiración,...), dejamos lo opción ofrecida: PrecipitationGages, y nombramos el nuevo pluviómetro: Pluviometro1 Picando arriba en
• •
, abajo ajustamos los datos correspondientes:
DataSource:ManualEntry (ya que vamos a introducir los datos manualmente Units:IncrementalMillimeters. Dejamos precipitación incremental (lo contrario es
acumulativa, si le fuera a meter datos acumulados: cuánto llovió hasta las 3:00, hasta las 4:00, etc). En este caso no es necesario indicar las coordenadas del pluviómetro: esos datos se considerará que son el promedio de toda la subcuenca.
•
TimeInterval: cambiamos a 1 hora ( 1Hour), los datos del problema indican precipitaciones
en intervalos de una hora. Arriba, en el Explorador de Cuenca, picamos en (esas son las fechas y horas que ofrece el programa de modo predeterminado). Abajo en el Editor de componentes, en la pestaña Time Window, indicamos la fecha y hora de comienzo y fin de la precipitación (En este ejemplo la fecha es irrelevante, pero el modelo puede trabajar a lo largo de días o meses). La fecha se indica en español, como se indica en el figura adjunta, siempre con el formato de dos dígitos-tres letrascuatro dígitos (día-mes-año). Ahora picamos en la pestaña Table para introducir los datos pluviométricos. Observamos que para cuatro intervalos de una hora nos muestra cinco casillas, pero la primera no es utilizable; es decir que las horas mostradas en el cuadro corresponden al final de cada intervalo (la precipitación recogida de 2:00 a 3:00 debe escribirse en la celda que se encuentra frente a 03:00 Escribimos los datos de precipitaciones utilizando para los decimales la coma o el punto, según esté ajustado el sistema (Windows) en ese ordenador.
3.5. Modelo Meteoroló gic o Creamos el modelo meteorológico: Components>MeteorologicModelManager>New damos nombre o dejamos el ofrecido: Met1.
Le
En el Explorador de cuenca ha aparecido esto: Al picar en Met1, abajo en el Editor de Componentes podemos especificar el tipo de precipitación, y, si lo deseamos, métodos para la evapotranspiración y para la fusión de la nieve. En este ejemplo dejamos las opciones ofrecidas. SpecificHyetograph significa que el usuario le dará los datos de precipitación.
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Sin salir de ese panel, en la pestaña Basins hay que cambiar la opción Include Subbasins y elegir Yes (picando en el No aparecen las dos opciones: No-Yes) Ahora hay que aplicar el pluviómetro que creamos al modelo meteorológico. Picando en , abajo aparece lo siguiente: Picando sobre --None-- aparecen los pluviómetros que hayamos creado (en este caso uno sólo) y elegimos uno de ellos. Pasamos al tercer y último componente: las especificaciones de control.
3.6. Especific aciones de c ontro l Component>ControlSpecificationsManager>New... .
Como en los modelos anteriores, le damos nombre o dejamos el ofrecido ( Control1). Ya hemos visto que las especificaciones de control sirven para indicar el periodo de tiempo (comienzo y final) en el que HMS tiene que realizar cálculos y el incremento de tiempo para ello ( Time Interval) . En el Explorador de Cuenca picamos en Control 1, y abajo, en el Editor de Componentes rellenamos los datos que se ven a la derecha: Le especificamos que calcule el hidrograma de 2:00 a 9:00, pues la lluvia cesó a las 6:00, pero la escorrentía continuará hasta que transcurra el tiempo de concentración, que habíamos calculado en 2,6 horas. La fecha, por supuesto, la misma que indicamos para la precipitaciones: La hora de inicio para el cálculo indicamos las 2:00, que es cuando comenzó a llover, aunque en las precipitaciones habíamos indicado como comienzo (Start Time) las 3:00. Ver la explicación al final del apartado 3.4. (Allí se indicaba el final de cada intervalo de precipitación).
En TimeInterval indicamos el incremento de tiempo para el que el programa tiene que hacer los cálculos. Si el intervalo total es de 7 horas , con incrementos de 15 minutos nos presentará una tabla de 28 datos (7 x 4) y el gráfico lo dibujará basándose en esos 28 puntos. Nota: Para cambiar algo en el modelo de cuenca, en el modelo meteorológico o en las especificaciones de control, basta hacer clic en el Explorador de Cuenca sobre el elemento que deseamos cambiar, y abajo, en el Editor de Componentes realizamos los cambios necesarios.
3.7. Ejecuci ón y obtención de resultados 5
Finalmente, vamos a ejecutar el modelo: Primero creamos un protocolo de ejecución (un “Run”): Compute>RunManager En un proyecto complejo podremos definir diversos “ Run” combinando diferentes modelos de cuenca, modelos meteorológicos y especificaciones de control. Por ejemplo: utilizar la misma cuenca con diferentes precipitaciones (del Modelo Meteorológico). O bien, podemos probar diferentes modelos de cuenca con las mismas precipitaciones (recordemos que en el modelo de cuenca incluye, por ejemplo, el procedimiento para separar la P neta). En este ejemplo no hay donde elegir, definimos el Run1 con las tres cosas que acabamos de preparar: en el modelo de cuenca, el modelo meteorológico y el control. Finalmente, ejecutamos el programa: Primero elegimos el “Run” (aquí sólo hay uno para elegir): Compute>SelectRun y finalmente para iniciar el cálculo: Compute>ComputeRun[Run1] 5
Efectivamente: en español no se dice “correr” (un programa) sino “ejecutar”
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Para obtener los resultados, el modo más cómodo es hacer clic con el botón derecho sobre el elemento elegido (aquí el único existente: la Subcuenca). Elegimos la primera opción ( ViewResults) y 6 en ella podemos elegir ver resultados numéricos, un resumen o el gráfico, que es el que aparece aquí :
6
El hietograma que aparece sobre el hidrograma tiene la misma forma que el que nosotros introdujimos (5.1, 2.8, 0.0, 3.0 mm), pero los valores son distintos: el pequeño eje vertical del hietograma va sólo de 0.0 a 1.0. La explicación es que el hietograma de esta figura esta dibujado de acuerdo a los incrementos de tiempo señalados en las especificaciones de control (en este ejemplo, 15 minutos). Si en la primera hora indicamos 5.1 mmen una hora, en cada intervalo de 15 minutos cayeron: 5.1/4 = 1.27 mm F. Javier Sánchez San Román - Dpto. Geología - Univ. Salamanca (España)
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4. Ejempl o 2 En este ejemplo consideramos un solo cauce (no se distinguen afluentes), pero separamos la parte alta de la cuenca (“Subcuenca alta”) y la parte baja (“Subcuenca baja”). Igual que en el Ejemplo 1, aquí tampoco hay que trabajar con la fase A (fases explicadas en la primera página), puesto que los datos son de P neta, ni con la fase C, ya que no hay caudal base . La novedad respecto al Ejemplo 1 consiste en que deberemos incluir la fase D para calcular cómo evoluciona el hidrograma generado en la “Subcuenca alta” a medida que circula a través de la “Subcuenca baja”. Por tanto, HMS realizará las siguientes tareas:
1. Cálculo del hidrograma generado en A por la “Subcuenca alta”
2. Tránsito de ese hidrograma desde A hasta B
3. Cálculo del hidrograma generado en B por la “Subcuenca baja” 4. Suma en el punto B los hidrogramas generados en los apartados 2 y 3 anteriores.
4.1. Datos d el pr obl ema Las características de las subcuencas se indican en el mapa adjunto. No hay flujo base. Dos pluviómetros, cada uno en una subcuenca: Pluv_1 (representativo Subcuenca alta) y Pluv_2 (representativo Subcuenca baja). Las precipitaciones netas registradas son las siguientes:
4.2. Nuevo Proyecto
Pluv 1
Pluv 2
8:00 a 8:20
1,2 mm
2,9 mm
8:20 a 8:40
4,9 mm
6,0 mm
8:40 a 9:00
0,0 mm
1,1 mm
9:00 a 9:20
3,5 mm
0,0 mm
9:20 a 9:40
1,8 mm
4,0 mm
File>New... Lo llamamos Ejemplo_2
4.3. Modelo d e Cuenca Creamos el modelo de cuenca: Components>BasinModelManager>New... En la primera casilla le damos un nombre (por ejemplo: CuencaEj-2). En el panel derecho, que hemos llamado Escritorio, creamos los siguientes elementos:
•
Dos subcuencas, picando primero en y luego en el Escritorio (panel de la derecha). Les daremos los nombres de Subcuenca alta y Subcuenca baja.
•
Un sumidero (Sink) picando primero en y luego en el Escritorio. Conservamos el nombre ofrecido: Sink-1. En este sumidero se sumarán el caudal generado por la Subcuenca baja más el generado por la Subcuenca alta (y ya calculado el tránsito por el tramo A-B). Hemos puesto un Sink (=sumidero) porque ahí termina la cuenca, en el punto B. Si tras esta unión, continuara más abajo, en lugar de un Sink habríamos puesto un elemento Junction (=Unión).
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•
Un tramo de cauce ( Reach), al que llamamos TramoA-B , picando en
y luego en el
Escritorio. Aparece una línea azul. Se coloca con la herramienta en el sitio adecuado, su tamaño se regula arrastrando los extremos. Finalmente se arrastran los iconos de Subcuenca alta y Sink-1 sobre los extremos del Tramo A-B y ya quedan pegados. Ahora debemos conectar unos elementos a otros: el caudal de salida de un elemento entra en otro elemento de la cuenca. En este sencillo ejemplo, es así: o
LaSubcuencaalta→ en eltramoA-B
o
El tramo A-B → Sink-1
o
La Subcuenca baja → Sink-1
Esta conexión se realiza picando con el botón derecho sobre el elemento de salida (por ejemplo: Subcuenca alta ), el cursor se convierte en una gran cruz, y con esa cruz se pica en el elemento que recibe el caudal (por ejemplo: el extremo superior del tramo A-B) La fina línea negra que aparece uniendo la Subcuenca baja y el sumidero Sink-1 no representa ningún cauce que vaya a ser calculado, es simplemente la indicación de que el caudal generado en esa subcuenca se sumará directamente en el Sink-1 Colocamos todos los elementos con una disposición similar a las subcuencas reales y tenemos un modelo de cuenca similar a la de la figura adjunta. La situación de los iconos o la longitud del tramo A-B en el dibujo son irrelevantes para el cálculo. Aj us tes en l as d os su bc uencas Area (km2) Loss method: --None-- (Los datos de precipitaciones ya serán de P neta) Transform Method: SCS Unit Hydrograph Baseflow Method: --None-- (No existe flujo base)
En la pestaña Transform elegimos introducimos el Lag (minutos), que es el 60% del tiempo de concentración. Aj us tes en el Tramo A -B En este Ejemplo 2 también tenemos que introducir datos en el . HMS tiene que calcular el tránsito del hidrograma generado en la Subcuencaalta a través de los 4,89 km. de recorrido atravesando la Subcuencabaja . Para calcular el tránsito del hidrograma, vamos a elegir el método Muskingum. Este método necesita dos parámetros: K y X. En la pestaña Route introducimos los datos necesarios: K=0.6 horas y X=0.2 HMS no considera de ninguna manera el tránsito de un caudal a lo largo del canal de la propia subcuenca. En este ejemplo, el hidrograma generado en la Subcuencabaja se suma directamente al final, sin ningún tipo de cálculo que podría tener en cuenta el recorrido que ha tenido que hacer a través de la propia subcuenca. La línea fina que une la Subcuencabaja al punto de desembocadura indica simplemente una conexión, no representa el cauce.
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4.4. Datos d e precipi taciones Recordemos que antes de crear el Modelo Meteorológico, debemos introducir los datos pluviométricos, en este ejemplo son dos pluviógrafos. Para ello hacemos: Components>TimeSeriesDataManager>New.... Creamos dos, llamándolos Pluviógrafo1 (serán las lluvias caídas en la subcuenca alta) y Pluviógrafo2 (lluvias caídas en la subcuenca baja) En ambos pluviógrafos establecemos sus ajustes (picando arriba en el Explorador de Cuenca y escribiendo abajo, en el Editor de Componentes) : Units: Incremental milimeters, Time Interval: 20 Minutes No es necesario indicar coordenadas. Introduzco la precipitaciones, que están en los datos de este Ejemplo 2. Ya vimos en el Ejemplo 1 el modo de escribir las precipitaciones para un pluviómetro y las peculiaridades al introducir la hora de comienzo y de finalización de los datos de precipitación: Como las precipitaciones van desde las 8:00 hasta las 9:40 en intervalos de 20 minutos (datos del problema), en la pestaña Time Window indicamos como hora de comienzo las 8:20 y hora de terminación las 10:00 (ambas están desfasadas 20 minutos, que es el incremento de tiempo para los datos en este ejemplo). Después picamos en la pestaña Table, en la que ya aparecen los intervalos de tiempo desde las 08:20 (hora de final del primer intervalo) hasta las 09:40 (hora de final del último intervalo). En la columna derecha tecleamos los valores de precipitaciones del ejemplo: (No hemos modificado la fecha, es irrelevante para el cálculo. Si la duración fuera de varios días y el primero lo hemos dejado en 1 Enero, la fecha de terminación habría que introducirla en consecuencia).
4.5. Modelo Meteoro lóg ico Creamos el modelo meteorológico: Components>MeteorologicModelManager>New damos nombre o dejamos el ofrecido: Met1.
Le
Al picar en en el Explorador de cuenca, abajo en el Editor de Componentes podemos especificar el tipo de precipitación. En este ejemplo dejamos las opciones ofrecidas. Specific Hyetograph significa que el usuario le dará los datos de precipitación. Sin salir de ese panel, en la pestaña Basins hay que cambiar la opción Include Subbasins y elegir Yes (picando en el No aparecen las dos opciones: No-Yes) Ahora hay que aplicar el pluviómetro que creamos al modelo meteorológico. Picando en , abajo aparece lo siguiente: Picando sobre --None-- aparecen los pluviómetros que hayamos creado previamente, y asignamos el Pluviógrafo 1 a la Subcuenca alta y el Pluviógrafo 2 a la Subcuenca baja . (La figura de la derecha muestra el momento en el que estamos eligiendo Pluviógrafo 2 para la Subcuenca baja .) Pasamos al tercer y último componente: las especificaciones de control.
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4.6. Especific aciones de c ontro l Component>ControlSpecificationsManager>New... .
Como en los modelos anteriores, le damos nombre o dejamos el ofrecido ( Control1). Ya hemos visto que las especificaciones de control sirven para indicar el periodo de tiempo (comienzo y final) en el que HMS tiene que realizar cálculos y el incremento de tiempo para ello ( Time Interval) . En el Explorador de Cuenca picamos en Control 1, y abajo, en el Editor de Componentes le indicamos que calcule el hidrograma de 8:00 a 12:00, ya que la lluvia se había especificado de 8:00 a 9:40. ¡La fecha debe ser la misma que indicamos para la precipitaciones!. En Timeinterval indicamos 5 minutos. La tabla de resultados finales y el gráfico los calculará en incrementos de 5 minutos.
4.7. Ejecuci ón y obtención de resultados Ejecutamos el modelo y podemos obtener tres resultados parciales y el resultado final (Recordamos: botón derecho en el Escritorio, sobre la subcuenca, tramo o “Sink”: View Results [Run1]>>Graph): 1º. Hidrograma generado a la salida de la Subcuenca alta , y sobre él, el hietograma correspondiente. 7
2º. El mismo hidrograma después de transitar por el Tramo A-B. Para obtener esto, picamos con botón derecho sobre TramoA-B Vemos que el hidrograma transitado (línea continua) aparece desplazado en el tiempo (hacia la derecha) y más aplanado.
7
¿Por qué el hietograma sobre el hidrograma va de 0 a 1,2 mm si hemos introducido lluvias de hasta 4,9 mm? Ya explicamos en la nota a pie de página al final de Ejemplo 1: Escribimos lluvias en intervalos de 20 min. y el programa ha calculado con intervalos de 5 minutos, por lo que el valor se divide por 4 . F. Javier Sánchez San Román - Dpto. Geología - Univ. Salamanca (España)
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3º. Hidrograma generado por la Subcuenca baja, con su hietograma correspondiente:
4º. Y, finalmente, picando sobre Sink-1, podemos obtener el hidrograma total generado en la salida de la cuenca:
2
3
1
1. El hidrograma procedente de la Subcuencaalta , después de transitar por el TramoA-B (aquí en puntos) 2. El hidrograma generado en la Subcuencabaja (aquí en trazos) 3. El hidrograma resultante en la desembocadura ( Sink-1) (en trazo continuo), que se calcula simplemente como la suma de los dos anteriores
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5. Ejempl o 3
5.1. Datos d el pr obl ema Utilizaremos el mismo mapa que para el ejemplo 2, pero con una escala mayor. Las superficies y otros datos se indican en la figura adjunta.
Novedades con respecto al Ejemplo 2: • Disponemos de datos de P real, no P neta • El cauce presenta un caudal base antes del hidrograma de crecida
Pluv 1
Pluv 2
0:00 a 1:00
5 mm
5 mm
1:00 a 2:00
23 mm
29 mm
2:00 a 3:00
17 mm
15 mm
Dos pluviógrafos, cada uno en una subcuenca.
3:00 a 4:00
34 mm
31 mm
- Pluv 1, representativo de la Subcuenca alta
4:00 a 5:00
21 mm
19 mm
- Pluv 2, representativo de la Subcuenca baja
5:00 a 6:00
28 mm
25 mm
6:00 a 7:00
2 mm
3 mm
7:00 a 8:00
6 mm
4 mm
Para calcular la P neta por el método SCS
8
Cuenca baja: Po = 68 mm, CN = 43 Cuenca alta: Po = 41 mm, CN = 55 3
El caudal base previo era de 30 m /seg
5.2. Primeros pasos y Modelo de Cuenca Los primeros pasos y los elementos del Modelo de Cuenca son los mismos del Ejemplo 2 (subcuencas, conexiones,...). Podemos repetir los mismos pasos, pero si tenemos guardado el proyecto “Ejemplo_2” es más cómodo utilizar el comando File>>Import>>BasinModel... Así disponemos inmediatamente de todos los elementos de la cuenca; sólo será necesario cambiar los datos de cada elemento de la cuenca (superficies, lag, etc).
5.2.1. Introd ucció n de los datos en las s ubcuencas 2
Entramos en cada una de las dos subcuencas e introducimos la superficie (km ).
•
En Loss Method (para separar la P neta de la P total) elegimos el método SCS, eligiendo la opción SCS Curve Numbe r.
•
En Transform Method (para convertir la P neta en escorrentía) elegimos el método SCS, eligiendo la opción SCS Unit Hydrograph .
8
Las tablas originales (americanas) dan valores de CN en función del tipo de suelo, cultivo, etc. Las tablas españolas dan valores de Po (abstracción inicial o umbral de escorrentía). La relación entre ambos es:
⎛ 25400 − 254 ⎞ ⎟ ⎝ CN ⎠
P0 = 0, 2 ⎜
, inversamente:
CN =
25400 P0
0, 2
+ 254
El 0,2 de ambas fórmulas se basa en la hipótesis del SCS de que la abstracción inicial es el 20% de la abstracción máxima del suelo. Si se desea otro valor, sustituir el 0,2 de ambas fórmulas por el coeficiente deseado. Si admitimos la hipótesis del 20%, fijado el 0,2, podemos consultar indistintamente tablas de CN o de Po, y calcular el otro valor, ya que HMS nos pide ambos. F. Javier Sánchez San Román - Dpto. Geología - Univ. Salamanca (España)
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•
En Baseflow Method (para calcular el caudal base) elegimos la opción Recession .
Con las especificaciones anteriores, abajo, en el Editor de Componentes tendríamos el siguiente aspecto: Vemos que han aparecido (respecto al Ejemplo 2) las pestañas Loss y Baseflow, en las que picaremos para introducir los datos correspondientes
Pestaña Loss: Initial Abstraction (mm) escribimos el valor de Po y en CurveNumber el valor CN, ambos indicados en los datos del problema. Pestaña Transform: como en los ejemplos anteriores, se nos solicita información para convertir lluvia en caudal. Elegimos el método SCS y en la casilla Lag escribimos el 60% de los tiempos de concentración de que disponemos (ver el mapita con los datos) Pestaña BaseflowMethod: Para el procedimiento elegido ( Recession)los valores necesarios son los siguientes: Subcuenca alta
Subcuenca baja
30 m3/seg
21 m3/seg
Caudal inicial, caudal base al empezar el periodo de cálculo Recessionconstant Para HMS, disminución del caudal base cada día, si es 0,9 significa que: Qhoy / Qayer = 0,9
0,90
0,95
ThresholdType(opciónRatiotoPeak)
0,25
0,3
InitialDischarge(m3/seg)
Caudal umbral (por ej.: 0.10 =el 10% del caudal punta) a partir del cual el programa comienza a computar una nueva 9 recesión
Introducc ión de los datos en el canal Tramo A-B
HMS calcula el tránsito del hidrograma generado en la Subcuencaalta a través de los 44 km de recorrido atravesando la Subcuencabaja. Para calcular el tránsito del hidrograma, vamos a elegir el método Muskingum. Este método necesita dos parámetros: K y X. Vamos a introducir K=1,2 horas y X=0,2
Datos de precipitacion es Recordemos que antes de crear el Modelo Meteorológico, debemos introducir los datos pluviométricos, en este ejemplo son dos pluviógrafos. Igual que en ejemplos anteriores: precipitación incremental y unidades en mm. No es necesario indicar coordenadas..
9
Aquí hay algo que no concuerda con la teoría: Se supone que en el momento en que comienza un nuevo periodo de agotamiento, ya ha pasado toda la escorrentía directa, ytodo el caudal es debido al flujo base. Aquí, en cambio, al alcanzar el umbral, comienza un nuevo agotamiento, pero aún parte del caudal es debido a la escorrentía directa. Ver figura 7.2 , pág. 84 del Technical Reference Manual F. Javier Sánchez San Román - Dpto. Geología - Univ. Salamanca (España)
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Introduzco la precipitaciones (datos del problema): como las precipitaciones registradas van desde las 0:00 hasta las 8:00 horas, en la pestaña Time Window indicamos desde la 01:00 hasta las 09:00 (le sumamos una hora, ya que en este ejemplo el incremento de tiempo es de 1 hora, y ya hemos visto que en la Tabla se indica la hora final de cada intervalo Cerramos y ya podemos establecer el modelo meteorológico.
Modelo Meteoroló gico Creamos un modelo meteorológico, igual que en el ejemplo 2. Recordar que picando arriba en , abajo, en la pestaña Basins hay que poner Yes en la casilla Include Subbasins Finalmente, picando arriba en , abajo, le asignamos a la Subcuenca alta el Pluv1 y a la Subcuenca baja el Pluv2. (según se indica en los datos del problema)
Especificaciones de contr ol Creamos unas nuevas Especificaciones de Control, escribimos la misma fecha que inventáramos para las lluvias, y el periodo hay que extenderlo lo suficiente para que pase todo el hidrograma: si las precipitaciones van de 0:00 a 8:00, podemos pedir que calcule de 0:00 a 20:00 horas. El intervalo de cálculo podemos indicar 30 minutos (no puede ser menor del 29% del tiempo de lag).
Ejecuci ón y obtención de resultados Ejecutamos el modelo, igual que en el Ejemplo 2, y finalmente observamos los resultados (botón derecho sobre el elemento deseado, View Results...)
P neta
Como novedad, en el hietograma que aparece sobre el hidrograma (Resultados de cada Subcuenca) aparece la separación entre P total y P neta. El caudal base es otra novedad, aparece como una línea roja, por encima de la cual se supone que es escorrentía directa y por debajo escorrentía básica. Los resultados para la desembocadura de la cuenca (Sink-1) nos muestran el hidrograma aportado por la Subcuenca baja (en trazos), por la Subcuenca alta (en trazos cortos) y la suma de ambos (línea continua), que sería el caudal registrado en ese punto.
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6. HMS como mod elo conti nuo Los modelos de simulación hidrológica pueden ser de dos tipos: Un modelo de eventos simula un evento hidrológico concreto: “Este aguacero produciría este hidrograma.”. Calcula qué parte de la precipitación será precipitación neta, y con ella calcula la escorrentía directa que se genera; el resto de la precipitación (abstracciones o pérdidas) lo olvida. Un modelo continuo intenta simular la evolución de todo el proceso hidrológico. Calcula qué parte de las precipitaciones quedan retenidas superficialmente (interceptación en la vegetación y ‘charcos’), qué parte se infiltra en el suelo y qué parte genera escorrentía superficial. Pasada la precipitación debe considerar si la que se almacenó en el suelo se evapotranspira o si se infiltra hacia los acuíferos. Finalmente, desde éstos puede perderse hacia una circulación profunda (fuera del alcance del modelo) o alimentar los cauces. Un modelo de eventos suele trabajar desde unos minutos a varios días, mientras que en los modelos continuos son habituales periodos desde meses hasta varios años. HMS inicialmente fue un modelo para simular eventos concretos, aunque ahora dispone de métodos que permiten utilizarlo como continuo. Para ello, al caracterizar la subcuenca, y como método de cálculo de pérdidas (Loss), debemos utilizar unos de los dos métodos siguientes: •
Deficit and Constant . Es un método para una simulación cuasi-continua que considera solamente el almacenamiento en el suelo como un depósito único en el que se infiltra el agua que no produce escorrentía directa. En periodos de no precipitación se producirá evapotranspiración utilizando ese agua.
•
Continuous Soil-moisture Accounting (SMA) (= “Consideración continua de la humedad del suelo”). Este es el método más adecuado para utilizar HMS como modelo continuo. Tiene en cuenta cinco niveles distintos en los que la precipitación puede ser retenida o almacenada: vegetación, retenciones superficiales, suelo, acuífero 1 (superficial) y acuífero 2 (más profundo).
Evapotranspiración Si utilizamos HMS como modelo continuo con cualquiera de los dos métodos indicados, es necesario introducir previamente datos de Evapotranspiración Potencial (ETP). Esto puede hacerse de dos maneras: •
Escribimos directamente los datos de ETP
•
Hacemos que HMS calcule la ETP
Picando arriba en el nombre del modelo meteorológico que hayamos creado, abajo aparece este cuadro: En la casilla Evapotranspiration inicialmente se muestra: ---None---, pero al picar sobre ella, aparece la opción de calcular la ETP por el método de PriestleyTaylor o MonthlyAverage(“Medias mensuales”) que nos va a permitir escribir la ETP media de cada mes. Vamos a elegir éste último, como más sencillo. Al elegir esta opción, en el Explorador de Cuenca (arriba) aparece el elemento marcado en rojo en la figura de la página siguiente. Picando sobre aparece en el Editor de Componentes (abajo) una tabla para que introduzcamos los valores de ETP de cada mes ( ver de nuevo la figura de la página siguiente).
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La 2ª columna (Pancoefficient) se utiliza cuando los datos de ETP proceden de un tanque de evaporación lo que nos hace suponer que tienen un error por exceso respecto a la ETP real de un suelo con vegetación; en tal caso, habrá que multiplicar por un coeficiente reductor (típicamente 0,7 ó 0,8). Si los datos de ETP que hemos escrito no provienen de un tanque, sino que son medidas o cálculos de la ETP que consideramos correctos, ese coeficiente será 1. Observando el Explorador de Cuenca (parte superior de la figura adjunta) podemos observar que los datos de P y de ET adjudicados a cada subcuenca están organizados de modos distintos: Los datos de ET para cada subcuenca se encuentran dentro del modelo meteorológico (óvalo rojo), mientras que los datos de precipitaciones aparecen en “Time-Series Data”. Como ya hemos visto, desde el modelo meteorológico le adjudicamos a cada subcuenca el pluviómetro correspondiente (picando sobre “Specified Hyetograph”). Por tanto, podremos adjudicar el mismo pluviómetro a dos subcuencas distintas, mientras que los datos de ETP aunque fueran comunes, habría que escribirlos para cada subcuenca.
Cálcul o de las abstracciones (Loss) por el método de Soil Moisture Ac cou nti ng Como hemos indicado, este método es la principal herramienta de que dispone HMS para realizar el modelo de un modo continuo. Este procedimiento considera cinco niveles de retención y almacenamiento de agua10: a) InterceptionCanopy (Interceptación en la cubierta vegetal). Representa la parte de la precipitación que no alcanza el suelo porque es retenida en las plantas. La única entrada son las precipitaciones y la única salida la evapotranspiración. HMS coloca aquí las primeras precipitaciones hasta que se alcance la capacidad máxima. b)Surfacedepressionstorage (Almacenamiento en depresiones superficiales). Es el volumen de agua retenido en las irregularidades de la superficie del terreno. La entrada son las precipitaciones que no han sido interceptadas por la vegetación. Las salidas son inicialmente la infiltración y la ET. Posteriormente, si el volumen almacenado supera el máximo establecido, este agua pasará a la escorrentía superficial. c) Soilprofilestorage (almacenamiento en el suelo). La entrada es la infiltración desde la superficie. Las salidas son la ET y la percolación hacia el acuífero subyacente. HMS distingue dos zonas dentro del suelo: c1) Upperzone: Parte del suelo que puede perder
10
Lo siguiente es poco más que una traducción libre (bastante libre) de las páginas 138-139 delUser’s Manual y 52 y siguientes del Technical Reference Manual. La figura está en la pág. 52 del Tech. Ref. Manual. [En todos los casos me refiero a números de página del documento pdf, no a los que aparecen escritos al pié de cada página] F. Javier Sánchez San Román - Dpto. Geología - Univ. Salamanca (España)
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agua por ET o por percolación. Corresponde al agua gravífica, que ocupa los poros del suelo y es susceptible de ser atrapada por las raíces de las plantas o de ser arrastrada hacia abajo por la gravedad. c2) Tensionzone: Parte del agua contenida en el suelo que se pierde solamente por ET. Corresponde al agua adherida a las partículas del suelo; las raíces pueden utilizarla, pero no puede moverla. La ET primero toma agua de la Upperzone , y posteriormente de la Tensionzone. d)Groundwaterstorage.(Almacenamiento en los acuíferos). El modelo HMS distingue dos niveles: un acuífero más superficial, “Layer1”, que recibe directamente la percolación del agua
gravífica que no ha sido atrapada por la ET y que ha excedido la capacidad de almacenamiento del suelo. Desde este acuífero más superficial, el agua puede incorporarse a la escorrentía subterránea (que puede alimentar el caudal base de los ríos) o bien percolar hacia un acuífero más profundo, “Layer2”. Análogamente, desde este acuífero el agua puede incorporarse a la escorrentía subterránea o percolar aún más profundamente; en este caso el modelo considera este agua perdida, sale del sistema y no será considerada. Las especificaciones necesarias para todas estas fases aparecen en la pestaña Loss, después de picar arriba en la subcuenca correspondiente. Son 18 parámetros (¡18!), que, excepto uno, aparecen representados en la figura siguiente (todos los rótulos que aparecen en inglés):
• 6 datos (los que están en la figura en mm.) se refieren a la capacidad máxima de almacenamiento
de cada nivel expresada como el espesor en mm de una lámina de agua equivalente. Son 5 niveles, pero ya hemos comentado que en el suelo se diferencia entre el agua susceptible de se drenada por gravedad (Upperzone ) y el agua solamente extraíble por la ET ( Tensionzone). La suma de ambas –el total del agua almacenada en el suelo– se introduce en y la parte no drenable por gravedad se reseña en la casilla . • 5 datos (los que están en %) sirven para indicar el porcentaje de llenado de cada uno de los niveles
(No indica la parte libre, indica la parte ocupada) . • 4 parámetros (indicados en mm/hora, y asociados en la figura a una flecha vertical) se refieren al
flujo máximo de agua que puede pasar de un nivel al siguiente: de las retenciones superficiales al suelo (infiltración), del suelo al primer acuífero, de este al segundo, y desde éste hacia abajo. • Los 3 restantes se comentan más adelante: dos coeficientes de ambos acuíferos (en horas) y el %
de cuenca impermeable (que es el único de los 18 que no aparece en la figura). F. Javier Sánchez San Román - Dpto. Geología - Univ. Salamanca (España)
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El proceso se desarrolla así: Cuando comienza la precipitación, primero se completa la capacidad de retención de la vegetación (CanopyStorage). La ET toma agua de este nivel antes que de los otros. El agua no retenida por la vegetación pasa a la superficie del terreno. Desde esta retención superficial comienza la infiltración sin que se pueda superar la capacidad de infiltración (expresada en la casilla ). La ET tomará agua de aquí si no la encuentra en el nivel anterior (Canopy ). Si a pesar de la infiltración y de la ET, se excede el máximo almacenamiento que hayamos indicado en , el agua sobrante pasa a la escorrentía superficial. El agua infiltrada llega al suelo; cuando el agua almacenada en el suelo supere el máximo que hayamos especificado en comenzará la percolación hacia el acuífero superficial; es decir, no es necesario que se exceda el valor máximo asignado al suelo en , sino que en cuanto exista agua gravífica, puede comenzar a percolar, sin superar el valor máximo posible indicado en . El agua percolada desde el suelo, alimenta el acuífero superficial (Groundwater1) hasta su capacidad máxima establecida en , y desde ese acuífero el agua pasa al acuífero inferior (Groundwater2) sin que el flujo pueda sobrepasar el máximo indicado en ,y análogamente, desde el acuífero profundo se pierde agua por percolación sin superar el límite indicado en . Desde ambos niveles acuíferos puede salir un flujo lateral que alimentará el caudal base del hidrograma final resultante. Los coeficientes y son el tiempo de retardo (time lag) que debe transcurrir para que el agua almacenada en cada uno de los niveles acuíferos salga ‘lateralmente’ 11 y alimente al cauce como caudal base o flujo básico. Si no queremos incluir en el modelo alguna de las fases, basta con escribir cero en la casilla correspondiente al almacenamiento (storage) de ese nivel en mm. El dato de indica que en esa parte de la subcuenca, toda el agua caída se considerará precipitación neta y pasará a la escorrentía superficial.
Cálcul o d el caudal base (Baseflow) por el método de Linear Reservoi r Al explicar el cálculo de la fase anterior (Loss) para simular un proceso continuo, hemos indicado que desde los acuíferos puede llegar a salir un cierto flujo que llegará a alimentar el caudal base (baseflow) del río. Para que esos aportes se incorporen efectivamente al caudal, es necesario utilizar el método LinearReservoiral computar el caudal base.
Picando ahora en la pestaña Baseflow aparecen los parámetros que debemos indicar para este método: En la primera casilla podemos elegir entre especificar caudales (discharge) o caudales por km (dischargeperarea). Si disponemos de aforos en periodos de estiaje, será más lógica la primera opción, si vamos a hacer estimaciones, puede ser más cómodo hacerlo en caudal por km 2 (12)
11
2
No se indica cómo se distribuyen las salidas de agua de los niveles acuíferos entre la percolación hacia abajo y el flujo lateral que acabará alimentando el caudal base del río. Este flujo ‘lateral’ ¿se produce solamente cuando el almacenamiento del acuífero esté completo y la salida por percolación (mm/hora) no puede evacuar la entrada de agua? F. Javier Sánchez San Román - Dpto. Geología - Univ. Salamanca (España)
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En las siguientes casillas indicaremos tres parámetros relativos al caudal proveniente de cada uno de los dos acuíferos considerados ( GW1 el más superficial, GW2 el inferior): GWInitial(M3/S): Debemos introducir el caudal
inicial (en el momento que el modelo comienza a trabajar) GWCoefficient: Es el GroundwaterStorage Coefficient (medido en horas). El acuífero actúa como un
lago o embalse, que recibe y suelta agua, y como ellos, también el acuífero atenúa el caudal y lo retrasa, como en cualquier procedimiento de tránsito de caudales. Este parámetro en horas informa al modelo del tiempo de respuesta de este depósito intermedio que es el acuífero 13 GWReservoirs. Simula cada acuífero como un número de depósitos en cadena que provocan la
atenuación del caudal que comentábamos arriba. Por omisión aparece 1, que corresponde a la mínima atenuación.
La estimación de los parámetros en modelos continuos es mucho más compleja que en los modelos que simulan eventos aislados. Para la estimación de los diversos parámetros sería necesario disponer de hidrogramas reales de esa cuenca, para poder compararlos con los hidrogramas generados por HMS, e ir introduciendo los cambios pertinentes hasta conseguir una semejanza aceptable. Incluso en ese caso, no podemos presumir de que hemos acertado con los valores reales de todos los parámetros introducidos, pero al menos hemos conseguido un conjunto de suposiciones que producen un efecto similar a lo que se produce en la realidad. (En la figura vemos un ejemplo ofrecido por los autores del HMS: en puntos negros caudales reales, la línea azul el hidrograma generado por el modelo) --------------> Si en la cuenca estudiada no disponemos de datos de caudales para calibrar los resultados, realizaremos bonitos ejercicios pero todo lo que obtengamos pertenecerá obviamente a la ciencia ficción.
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Recomendaciones del User’s Manual, pág. 149. Atención: Si elegimos “caudal por área”, en unidades métricas nos ofrece m3/seg/km2. Se trata de unidades muy grandes: el caudal medio anual (no el caudal base, sino el caudal total) 2 3 2 oscila en la mayoría de los casos entre 5 y 30 litros/seg/km , lo que serían 0,005 a 0,03 m /seg/km 13
En la fase Loss, también habíamos introducido estos mismos coeficientes (GW1Coefficient y GW2Coefficient ) con el mismo nombre y aparentemente con el mismo significado. ¿Son exactamente los mismos coeficientes, hay que adjudicarles los mismos valores? F. Javier Sánchez San Román - Dpto. Geología - Univ. Salamanca (España)
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