“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

IntroducciónIntroducciónLos 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 simplificadasimplificadaEl 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

MED

AD

(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

MED

AD

(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