Modelacion Hidrologica SWAT

ONGRESO L ATINOAM ERICAN O DE H IDRÁULICA IDRÁULICA  XXVI C   XXVI C ONGRESO SANTIAGO, CHILE, AGOSTO CHILE, AGOSTO 2014

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MODELACIÓN HIDROLÓGICA EN SWAT EN UNA REGIÓN SEMIÁRIDA DE MÉXICO 1

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Ruperto Ortiz Gómez , Fidel Alejando Ortiz Robles , Marcos Edgardo Delgado Muñiz , 2 1 Ignacio Paz López  y Pedro Alvarado Medellin 1

 Profesor Investigador, Universidad Autónoma de Zacatecas, Unidad Académica de Ingeniería, Av. Ramón López Velarde 801, Zacatecas, Zac., México, 98060, [email protected] [email protected],, [email protected] [email protected],, [email protected] 2  Estudiante, Universidad Autónoma de Zacatecas, Unidad Académica de Ingeniería, Av. Ramón López Velarde 801, Zacatecas, Zac., México, 98060, [email protected], [email protected]

Introducción

Objetivo

La ocurrencia y distribución natural del agua en el ámbito mundial y regional es desigual, mientras en algunas regiones es abundante, en otras es escasa o inexistente. En este sentido, México es un país de grandes contrastes con respecto a la disponibilidad natural de agua, ya que sus recursos hídricos varían enormemente en tiempo y espacio debido a la diversidad fisiográfica y climática que lo caracterizan, donde dos terceras partes del país son catalogadas como áridas o semiáridas.

El objetivo de este trabajo fue calibrar y validar a escala anual, el modelo hidrológico SWAT para evaluar el proceso lluviaescurrimiento en una región semiárida del Estado de Zacatecas, México.

En las regiones áridas y semiáridas los recursos hídricos son limitados, y están bajo una severa y creciente presión debido al crecimiento de la población y con ello, a un incremento de las demandas de agua para uso urbano, industrial y agrícola,  principalmente, entre otros factores. Es evidente que un manejo efectivo de los recursos hidráulicos requiere de un sistema de soporte de decisiones apropiado, que incluya herramientas de modelación y simulación hidrológica. Los modelos hidrológicos computacionales son una herramienta extremadamente útil y valiosa que tratan de describir matemáticamente fenómenos físicos dentro de una cuenca, y son ampliamente utilizados para la simulación y el manejo de cuencas, así como para predecir el efecto en la toma de decisiones en la fase de planificación, desarrollo y gestión de los recursos hídricos. La hidrología de las zonas áridas y semiáridas es diferente de la de las regiones húmedas. Estas zonas generalmente carecen de información climatológica básica, y aún más, de información hidrométrica que permita abordar estudios hidrológicos de gran alcance y diferente índole. En este sentido, la modelación hidrológica plantea un desafío  particular en las regiones con escasa información (Bieger et al ., ., 2012). Los modelos hidrológicos computacionales ofrecen la ventaja de hacer suposiciones y simplificaciones sobre lo que está sucediendo físicamente en la cuenca. La plataforma SWAT (Soil and Water Assessment Tool), es una herramienta de modelación hidrológica que incluye modularidad, eficiencia computacional, capacidad de predicción de impactos hidrológicos y ambientales a largo plazo, como un modelo continuo y con capacidad para utilizar bases de datos mundiales de fácil acceso. Por otro lado, la importancia de calibrar y validar un modelo hidrológico radica en su aplicabilidad para extrapolar su desempeño a cuencas con características hidrológicas y fisiográficas similares, debido principalmente a la escasa información hidrométrica, referente a datos diarios y series históricas relativamente largas que tienen las regiones áridas y semiáridas, entre ellas las de México.

Materiales y Métodos Zona de Estudio La cuenca de estudio está situada en el centro del Estado de 2 Zacatecas, México, con una superficie de 1,227 km , y tiene como punto de salida la presa Gobernador Leobardo Reynoso. Esta región está caracterizada por un clima semiseco templado con lluvias en verano y templado subhúmedo. Los principales tipos de suelo presentes en la cuenca son litosoles (44.94 %), luvisoles (18.56 %) y xerosoles (18.03 %).

Descripción de la Información Se seleccionaron tres estaciones climatológicas localizadas alrededor de la cuenca de estudio, con datos diarios de temperatura (máxima y mínima) y precipitación, para el  periodo de 1985 al 2002. Los ca udales di arios util izados e n el  proceso de calibración y validacion corresponden a los volúmenes de escurrimiento medidos en la presa Gobernador Leobardo Reynoso para el mismo período de análisis. Además, se utilizó información cartográfica a escala 1:50,000 de topografía, edafología, geología, uso y tipo de suelo, así como un Modelo Digital de Elevaciones (DEM, por sus siglas en inglés) escala 1:50,000.

Modelo de Simulación Hidrológica SWAT SWAT es un modelo hidrológico distribuido basado en  parámetros físi cos, continuo y opera e n un inter valo de t iempo diario, diseñado para simular largos periodos de tiempo (Arnold et al ., ., 1998), y se basa en la ecuación general de  balance hídrico. SWAT está conformado por un conjunto de submodelos (climático, hidrológico, erosión, nutrientes, agrícola y urbano), los cuales se emplean para simular distintos procesos hidrológicos. En SWAT, la cuenca se divide en sub-cuencas, las cuales a su vez, se subdividen en unidades de respuesta hidrológica (HRU, por sus siglas en inglés). Una HRU se define como un área de la subcuenca con una combinación única de uso de suelo, tipo de suelo y pendiente. SWAT incluye dos métodos para la estimación del escurrimiento superficial directo, el Método del Número de Curva del Servicio de Conservación de Suelos (NC SCS) de Estados Unidos y el Método de Infiltración de Green-Ampt. El método del NC SCS emplea dos técnicas para considerar el  parámetro de retención de agua en la estimación del

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escurrimiento superficial: i) La forma tradicional que permite que el parámetro de retención varíe con el contenido de agua del perfil del suelo; y ii) un método alternativo que permite que la retención continua de agua en el suelo, varíe considerando los efectos producidos por la evapotranspiración (ET) acumulada de la vegetación presente. Una descripción completa del método de ET de la planta se puede consultar en  Neitsch et al . (2005).

Proceso de Modelación Hidrológica El proceso de modelación se llevó a cabo en función de la  plataforma computacional SWAT 2009, a través de la definición de seis etapas: i) Delimitación de la cuenca y definición de la red de drenaje; ii) Definición de las HRU’s; iii) Edición y/o modificación de las bases de datos edafológicas y de uso de suelo de SWAT, y bases de datos climáticas; iv) Selección de los métodos de cálculo (método del NC SCS modificado y método de Hargreaves) y puesta a  punto del modelo; v) Etapa de calibración, incluyendo  primeramente un análisis de sensibilidad con la interfaz ArcSWAT; y vi) Etapa de validación. La modelación y simulación hidrológica del proceso lluviaescurrimiento está comprendida en el periodo que va de 1985 al año 2002. El periodo de enero de 1985 a diciembre de 1987 se utilizó para el calentamiento del modelo; y por su parte, el  periodo de enero de 1988 a dicie mbre de 1992 fue considerado  para la calibración; finalmente, el p eriodo de enero de 1999 a diciembre del año 2002, correspondió al escenario definido  para la valida ción del modelo.

Parámetros de calibración Los parámetros seleccionados para realizar la calibración del modelo fueron: el número de curva (CN2), el factor de compensación de evaporación en el suelo ( ESCO), el factor alfa de flujo base ( ALPHA_BF ), la conductividad hidráulica de los cauces (CH_k2), y el tiempo de retardo del escurrimiento superficial (SURLAG).

Evaluación de un Modelo Hidrológico Se utilizaron tres criterios de eficiencia para comparar los caudales simulados con respecto a los valores observados durante las etapas de calibración y validación: el coeficiente de eficiencia de Nash Sutcliffe ( NSE ), el sesgo relativo 2 ( PBIAS ), y el coeficiente de determinación ( R ), los cuales fueron comparados con los rangos establecidos por Van Liew et al., (2007) y Saleh et al., (2000), pero adaptados para una escala anual. Es decir, si el PBIAS  es < ± 10% y si el NSE  > 0.75, se acepta que la calibración o validación del modelo es muy buena.

Resultados En la determinación de las HRU’s únicamente se utilizaron las siete coberturas vegetales dominantes, las cuales, representan el 87% de la superficie total de la cuenca, y las ocho combinaciones más dominantes de tipos de suelo, que representan el 86% del área total.

Calibración De acuerdo al análisis de sensibilidad realizado, para la zona de estudio, el CN2  no fue el parámetro más sensible, sin embargo, diversas investigaciones alrededor del mundo confirman que es uno de los parámetros más sensibles en los que se basa el Método del Número de Curva, base del modelo

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SWAT. Como resultado de las coberturas de tipo y uso de suelo, el CN2 en la cuenca de estudio varía en el rango de 88 a 72, con un valor medio de 82. Al finalizar el proceso de calibración del modelo hidrológico el CN2  varió de 83 a 68,  presentando un valor medio de 77. En términos generales, el CN2  disminuyó en 5% para cada subcuenca de la zona de estudio. Los valores de los índices de eficiencia de los resultados obtenidos en el proceso de calibración y que permitieron evaluar la capacidad global de predicción del modelo fueron 0.90, 14.10 % y 0.95, para NSE ,  PBIAS  y R2, respectivamente. Es decir, los resultados indican que el modelo predijo muy bien  el caudal medio anual. En los años del periodo de calibración donde los caudales medios anuales observados  presentan los valores más altos se presentan las menores diferencias con respecto a los caudales simulados por SWAT.

Validación Con el fin de validar el modelo hidrológico, éste fue corrido  para un periodo de tiempo di ferente al de calibr ación, de 1999 al 2002. Los valores de los índices de eficiencia obtenidos en la etapa de validación fueron 0.91, -7.86% y 0.96, para los 2 índices NSE ,  PBIAS  y R , respectivamente. De acuerdo a estos resultados, se puede señalar que la capacidad de predicción global del modelo para la zona de estudio es muy buena, ya que los índices de eficiencia obtenidos en esta etapa, superan incluso, a los del periodo de calibración.

Conclusiones La modelación hidrológica distribuida y la simulación continua son procesos difíciles de llevar a cabo de manera conjunta. En México, este tipo de modelación ha sido poco utilizada en comparación a otros países, debido principalmente a la escasez de información (hidrométrica y climatológica) en gran parte del país. De acuerdo a los resultados obtenidos, se puede señalar que el modelo hidrológico SWAT fue capaz de representar muy bien o de manera satisfactoria el proceso lluvia-escurrimiento en la cuenca Leobardo Reynoso, considerando la información climática, hidrométrica, de uso y tipo de suelo disponible, resaltando la utilización del Método del Número de Curva Modificado del Servicio de Conservación de Suelos para el cálculo de los escurrimientos directos producto de la lluvia en exceso.

Referencias bibliográficas Arnold, J. G., Srinivasan, R., Muttiah, R. S., and Williams, J. R. (1998). Large-area hydrologic modeling and assessment: Part I. Model development. Journal of the American Water Resources Association 34(1): 73-89. Neitsch, S. L., Arnold, A. G., Kiniry, J. R., Srinivasan, J. R., and Williams, J. R . (2005). “Soil and Water Assessment Tool User's Manual: Version 2005”. TR192. College Station, Tex.: Texas Water Resources Institute. Saleh, K., Kratzer, R., Green, H., and Evans, D . (2009). “Using the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) to simulate runoff in Mustang Creek Basin, California”. Geological Survey Scientific Investigations 28: 1-25. Van Liew, M., Veith, L., Bosch, D., and Arnold, J . (2007). “Suitability of SWAT for the conservation effects assessment project: A comparison on USDA-ARS experimental watersheds”. Journal Hydrologic Engineering 12(2): 173-189.